Estudos mecânicos, microestruturais e de fratura em inconel 825

Apr 18, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5321 (2023) Citar este artigo

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Este artigo apresenta um novo método que utiliza o processo de fabricação aditiva de arco de arame baseado em transferência de metal frio para fabricar paredes Inconel 825 – SS316L com classificação funcional. A micrografia óptica do Inconel 825 exibe estruturas dendríticas contínuas e descontínuas. A região SS316L compreende 5% de δ-ferrita em dendritos austeníticos primários (γ), o que foi confirmado pela razão Creq/Nieq de 1,305. A interface funcionalmente graduada revela uma zona parcialmente mista com uma transição dos dendritos alongados para dendritos equiaxiais finos. As propriedades de tração da parede fabricada foram determinadas à temperatura ambiente utilizando amostras extraídas do Inconel 825, SS316L e das regiões de interface. A morfologia dos corpos de prova testados à tração revelou deformação plástica significativa, indicando falha dúctil. A tenacidade à fratura da parede foi investigada experimentalmente empregando o teste de deslocamento da abertura da ponta da trinca (CTOD). A morfologia da fratura exibiu um modo de fratura dúctil com estrias perpendiculares à direção do desenvolvimento da fissura. O mapeamento elementar revelou que não havia evidência de segregação elementar nas superfícies fraturadas e os elementos estavam uniformemente dispersos. O CTOD mede 0,853 mm, 0,873 mm no lado Inconel 825 e no lado SS316L respectivamente. Os resultados do teste confirmam que ambos os lados do Inconel 825 e do SS316L apresentam boa tenacidade à fratura.

Ao longo da história, a capacidade de compreender e manipular materiais tem sido fundamental para o avanço da tecnologia. Os cientistas e engenheiros de hoje compreendem o valor dos novos materiais em termos de economia e meio ambiente. Materiais com classificação funcional (FGMs) são zonas sofisticadas e extremamente funcionais em uma peça que exibem uma mudança constante na composição elementar, resultando em propriedades mecânicas ou térmicas novas e personalizadas1. A capacidade de desenvolver materiais com propriedades melhoradas que sejam adequados para uma variedade de aplicações, incluindo revestimentos aeroespaciais, marítimos, de engenharia nuclear e de proteção contra altas temperaturas, aumentou significativamente a atenção às MGF2. O tamanho e as características estruturais são dois fatores que podem ser usados ​​para classificar materiais gradientes. Os gradientes podem ser volumosos ou de seção fina (como revestimentos de superfície), o que requer técnicas de processamento distintas. São separados em dois grupos: contínuos e descontínuos, dependendo da estrutura. Em materiais com gradientes descontínuos, a microestrutura ou composição química varia gradualmente e a interface é tipicamente perceptível e observável. Contrariamente, em materiais com gradientes contínuos, a composição química ou microestrutura altera-se continuamente com a posição, tornando quase impossível perceber um limite distinto como a interface através da estrutura graduada3.

Recentemente, muitos investigadores concentraram-se em MGF baseadas em metais. Sobczak et al.4 discutiram os processos fundamentais de fabricação de MGF à base de metal. Domack et al.5 usaram três técnicas distintas de fabricação para criar Inconel 718-Ti–6Al–4V FGM. Foi relatado que as amostras de deposição direta de metal a laser apresentaram notável segregação elementar e microestruturas dendríticas grosseiras. Usando soldagem por transferência de metal a frio, Tian et al.6 examinaram o comportamento mecânico e microestrutural de ligas diferentes de Ti – 6Al – 4 V e AlSi5 e encontraram uma rachadura na camada de interface. Originou-se na camada de interface e estendeu-se para o lado do Al como resultado da diferença no encolhimento da liga entre Al e Ti. Niendorf et al.7 relataram que a fusão seletiva a laser (SLM) é usada para fabricar peças de aço inoxidável com uma variedade de funcionalidades locais. Eles descobriram que um gradiente microestrutural acentuado leva a propriedades mecânicas locais distintas. Foi demonstrado que a deposição de energia direcionada poderia ser usada para fabricar FGMs de Inconel 625 e SS304L e que as características e modelos termodinâmicos destes materiais foram investigados por Carroll et al.8. As ligas de Inconel são difíceis de trabalhar porque tendem a endurecer durante o processamento e aderir às ferramentas de corte9,10. Inconel825 e SS316L eram materiais austeníticos com alto teor de cromo, o que proporciona excelente resistência à corrosão em alta temperatura11. Podem ocorrer fissuras de solidificação durante a soldagem por fusão destes dois materiais. O processo WAAM baseado em transferência de metal frio (CMT) pode ser usado para evitar esse problema . O processo CMT é um processo modificado de soldagem a arco de metal a gás que foi desenvolvido em 2004 pela Fronius International, Áustria. Como o nome indica, o WAAM baseado em CMT é um processo no qual o metal fundido é transferido com uma entrada de calor muito pequena para fabricar a parede. O sistema de automação inteligente e um cabeçote de soldagem com controlador integrado afastam o enchimento da poça de fusão quando ele faz contato, transferindo mecanicamente o metal fundido, reduzindo assim a quantidade de calor envolvida. Além disso, para aumentar a taxa de resfriamento, aletas de alumínio e ventiladores são instalados embaixo do suporte do substrato. Isso melhora a qualidade das peças impressas. Além disso, o processo WAAM baseado em CMT fornece um arco inabalável, melhor estabilidade do processo e diluição limitada13. Portanto, o WAAM baseado em CMT é um processo de fabricação aditiva altamente especializado com enorme potencial para produção em massa devido à sua maior taxa de deposição, o que permite uma fabricação mais rápida do que qualquer outro processo de fabricação aditiva.