Capacidade de impressão e microestrutura de SS316l depositado por energia direcionada

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16600 (2022) Cite este artigo

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No presente trabalho, os aspectos inter-relacionados da fabricação aditiva-microestrutura-propriedade na deposição de energia direcionada do multimaterial SS316L-IN718 foram estudados por meio de modelagem numérica e avaliação experimental. O conceito de printabilidade e os princípios de solidificação foram usados ​​para esse fim. A análise de printabilidade mostrou que a seção SS316L é mais suscetível à mudança de composição e falta de fusão, respectivamente devido à alta pressão de vapor de equilíbrio do manganês e à perda de calor mais eficiente nas camadas iniciais. No entanto, a seção IN718 é mais propensa a distorções devido à formação de uma poça de fusão maior, com deformação térmica máxima de 3,95 × 10−3 na última camada. À medida que o processo continua, devido ao acúmulo de calor e extensão da poça de fusão, a taxa de resfriamento diminui e o nível de subresfriamento aumenta, o que resulta respectivamente em microestrutura mais grosseira e mais instabilidade da frente de solidificação na direção de construção, como também observado nos resultados experimentais . A diferença é que a microestrutura dendrítica da seção IN718, devido à reação eutética L → γ + Laves, é formada em menor escala em comparação com a microestrutura celular da seção SS316L. Além disso, a diminuição na taxa de resfriamento fez com que a fração de fase secundária em cada seção (ferrita delta em SS316L e Laves em IN718) aumentasse quase linearmente. No entanto, o cálculo e a medição da dureza mostraram-se semelhantes, embora com a transição de SS316L para IN718 a dureza seja significativamente aumentada devido ao maior limite de escoamento da matriz e à presença da fase intermetálica Laves (~ 260 HV0,3), a dureza em cada seção diminui ligeiramente devido ao engrossamento da microestrutura desde a camada inicial até a final.

Atualmente, muitas estruturas de engenharia são feitas de vários materiais. Isso ocorre porque atender a vários requisitos de serviço e desempenho dificilmente pode ser satisfeito por um material. Portanto, muitas vezes é necessário usar materiais diferentes juntos. Isso levou à generalização do conceito de "estruturas multimateriais" nas ciências da engenharia. Portanto, o papel das estruturas multimateriais foi comprovado e muitos estudos foram feitos sobre elas no passado. No entanto, a evolução da tecnologia de fabricação aditiva (AM) moderna, com vantagens distintas, como a capacidade de produzir peças complexas integradas próximas à forma líquida em uma etapa, economia para produção em pequena escala e personalização de alto nível, eliminou muitos das limitações dos métodos convencionais de fabricação e abriu novas dimensões para o desenvolvimento e pesquisa de multimateriais1,2. Do subconjunto de processos de fabricação de aditivos metálicos como o setor de AM que mais cresce atualmente3, a deposição de energia direcionada (DED) e a fusão em leito de pó (PBF) são ambas de interesse na fabricação de multimateriais. No entanto, o DED tornou-se mais popular devido à sua maior flexibilidade na mudança da composição química durante o processamento4. De acordo com os estudos realizados até o momento, os multimateriais metálicos processados ​​por DED podem ser classificados com base no tipo de liga (principalmente ligas de Ti, Fe e Ni) e estratégia de construção (materiais bimetálicos, com classificação funcional e híbridos)5.

Os multimateriais de aços inoxidáveis/superligas à base de níquel são das combinações mais utilizadas em indústrias de energia crítica devido ao seu equilíbrio custo-desempenho adaptado aos requisitos de serviço6. Assim, atendendo a esta problemática e às características inerentes à MA, algumas das quais acima referidas, têm sido realizadas nos últimos anos várias investigações sobre o fabrico aditivo deste tipo de multimateriais. Lin et al.7,8 estudaram a evolução da microestrutura e a formação de fase na conformação rápida a laser (LRF) do material graduado SS316L/Rene88DT. Shah et al.9 investigaram o efeito dos parâmetros de deposição direta de metal a laser (LDMD) no desenvolvimento da estrutura graduada SS316L/IN718. Savitha et al.10 em um estudo sobre manufatura aditiva de materiais duais SS316/IN625 observaram que o limite de escoamento é sempre comparável ao componente mais fraco (SS316), enquanto Zhang et al.11 em um estudo semelhante obteve o limite de escoamento e resistência à tração de amostras de gradiente próximas a IN625 e SS316L, respectivamente. Carroll et al.12 ao determinar a causa da trinca em uma estrutura graduada fabricada a partir de SS304L e IN625 por DED, demonstrou o papel dos monocarbonetos metálicos na forma de (Mo, Nb)C usando modelagem termodinâmica por CÁLCULO de Diagramas PHAse (CALPHAD) método. Su et al.13 investigaram o efeito de várias composições de gradiente na manufatura aditiva a laser do material SS316L/IN718 funcionalmente classificado. Eles relataram que a melhor combinação de propriedades mecânicas (resistência à tração de 527,05 MPa e alongamento de 26,21%) foi obtida com uma etapa de mudança de composição de 10%. Em outro estudo, Kim et al.14 observaram que a formação de defeitos (poros e trincas) ocorre em determinadas faixas de composição química da estrutura SS316L/IN718 afetada por óxidos cerâmicos e sua posterior propagação na direção de compostos intermetálicos e carbonetos. Além disso, tensões térmicas e residuais concentradas nos contornos de grão exacerbaram a formação desses defeitos.