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Aug 02, 2023

Pela primeira vez, o aço inoxidável pode ser impresso em 3D, mantendo suas características

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Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), da Universidade de Wisconsin-Madison e do Argonne National Laboratory produziram composições específicas de aço 17-4. Quando impressos, eles correspondem às propriedades da versão fabricada convencionalmente.

Os resultados da pesquisa foram publicados na edição de novembro da Additive Manufacturing. Eles usaram raios-X de alta energia de um acelerador de partículas para adquirir os dados.

Força e resistência são cruciais para usinas nucleares, navios cargueiros, aviões e outras tecnologias importantes, diz o NIST. Por esta razão, muitos são feitos de aço inoxidável de endurecimento por precipitação (PH) de liga extraordinariamente durável 17-4. Pela primeira vez, o aço 17-4 PH agora pode ser impresso em 3D de forma confiável, mantendo suas propriedades benéficas.

A pesquisa mais recente pode tornar a impressão 3D mais econômica e flexível para fabricantes de itens de 17-4 PH. O método utilizado para investigar a substância neste estudo também pode lançar as bases para uma melhor compreensão de como imprimir várias substâncias e prever suas qualidades e desempenho.

“Quando você pensa em manufatura aditiva de metais, estamos essencialmente soldando milhões de minúsculas partículas em pó em uma única peça com uma fonte de alta potência, como um laser, derretendo-as em um líquido e resfriando-as em um sólido”, disse o físico do NIST Fan Zhang, coautor do estudo.

“Mas a taxa de resfriamento é alta, às vezes superior a um milhão de graus Celsius por segundo, e essa condição extrema de não equilíbrio cria um conjunto de desafios de medição extraordinários”.

Os pesquisadores começaram a explorar o que poderiam fazer para entender o que acontece durante a rápida mudança de temperatura e orientar a estrutura interior em direção à martensita.

Para examinar mudanças estruturais rápidas que ocorrem em milissegundos, os pesquisadores precisavam de ferramentas especializadas. Eles descobriram que a difração de raios X síncrotron, ou XRD, é a técnica ideal para isso.

“No XRD, os raios X interagem com um material e formam um sinal que é como uma impressão digital correspondente à estrutura cristalina específica do material”, disse Lianyi Chen, professor de engenharia mecânica na UW-Madison e coautor do estudo.

Fan Zhang et ai.

Os autores conseguiram ajustar a composição do aço para encontrar um conjunto de composições consistindo apenas de ferro, níquel, cobre, nióbio e cromo que funcionou porque agora eles tinham uma boa compreensão da dinâmica estrutural durante a impressão como referência .

"O controle da composição é realmente a chave para as ligas de impressão 3D. Ao controlar a composição, somos capazes de controlar como ela se solidifica. Também mostramos que, em uma ampla gama de taxas de resfriamento, digamos entre 1.000 e 10 milhões de graus Celsius por segundo , nossas composições resultam consistentemente em aço 17-4 PH totalmente martensítico", disse Zhang.

O trabalho recente pode ser influente além do aço 17-4 PH também. As informações obtidas do método baseado em XRD podem ser usadas para desenvolver e testar modelos de computador destinados a prever a qualidade dos itens impressos, além de otimizar outras ligas para impressão 3D.

"Nosso 17-4 é confiável e reproduzível, o que diminui a barreira para uso comercial. Se seguirem essa composição, os fabricantes poderão imprimir estruturas 17-4 tão boas quanto as peças fabricadas convencionalmente", disse Chen.

Abstrato:

As tecnologias de fabricação aditiva baseadas em fusão permitem a fabricação de peças geométricas e composicionais complexas inatingíveis por métodos convencionais de fabricação. No entanto, as condições de aquecimento/resfriamento não uniformes e distantes do equilíbrio representam um desafio significativo para a obtenção consistente de fases desejáveis ​​nas peças impressas. Aqui relatamos um desenvolvimento de aço inoxidável martensítico guiado pela dinâmica de transformação de fase revelada por difração de raios-X in-situ de alta velocidade, alta energia e alta resolução. Este aço inoxidável desenvolvido forma consistentemente a estrutura totalmente martensítica desejada em uma ampla gama de taxas de resfriamento (102–107 ℃/s), o que permite a impressão direta de peças com uma estrutura totalmente martensítica. O material impresso exibe um limite de elasticidade de 1157 ± 23 MPa, comparável ao seu equivalente forjado após o tratamento térmico de endurecimento por precipitação. A propriedade impressa é atribuída à estrutura totalmente martensítica e aos precipitados finos formados durante o tratamento térmico intrínseco na manufatura aditiva. A estratégia de desenvolvimento de liga guiada pela dinâmica de transformação de fase demonstrada aqui abre o caminho para o desenvolvimento de ligas confiáveis ​​e de alto desempenho específicas para manufatura aditiva.