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21 de Outubro de 2019

Produção de aços por impressão 3-D

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Pesquisa investiga efeito da manufatura aditiva sobre materiais para indústria aeroespacial


Os veículos aeroespaciais – aviões, helicópteros, foguetes, espaçonaves, satélites e outros – são sujeitos a condições extremas de temperatura, pressão e carregamento mecânico durante sua operação. Dessa forma, os materiais e métodos de fabricação usados na indústria aeroespacial estão em constante evolução, sempre buscando o aumento da confiabilidade e a redução de peso sem sacrificar a performance mecânica.

Uma classe de materiais importante para a indústria aeroespacial é a dos aços Maraging. Eles apresentam alta resistência mecânica, e são usados em componentes como, por exemplo, trens de pouso em aviões ou helicópteros e até mesmo carenagem de foguetes, que são submetidos a altas cargas mecânicas e ciclos de fadiga.

A manufatura aditiva – popularmente conhecida como impressão 3-D – revitalizou a fabricação de componentes com formatos antes considerados desafiantes, ou mesmo impossíveis, e aumentou o potencial de uso de diferentes materiais de engenharia. No entanto, apesar da estrutura e composição química de determinado material ser conhecida, o produto obtido no processo de manufatura aditiva é fundamentalmente diferente do obtido pelos processos de manufatura convencional, como fundição ou soldagem.

Isso acontece porque as altíssimas taxas de aquecimento e resfriamento naturais do processo de manufatura aditiva resultam em materiais com distribuições não-homogêneas de composição e estrutura microscópica, e que não podem ser facilmente preditas através de modelos computacionais. Como as propriedades mecânicas dos materiais dependem diretamente dessas microestruturas obtidas após o processo de fabricação, é necessário entender a origem e a evolução destas novas estruturas.

Por isso, Fábio F. Conde, da Universidade de São Paulo (USP), e colaboradores [1] buscaram entender como a estrutura e as propriedades de aços Maraging são modificadas pelo processo de manufatura aditiva. Para isso, o grupo realizou um estudo in situ da evolução cristalográfica em peças de aço Maraging grau 300, produzidas por este método.

No estudo, foi utilizada a estação experimental XTMS associada à linha de luz XRD1 de difração de raios X do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Esta estação permite a obtenção de informação cristalográfica segundo a segundo durante a aplicação de uma grande variedade de condições térmicas e mecânicas. Segundo os pesquisadores, a estação é de vital importância para a otimização destes materiais e para o entendimento das vantagens, desvantagens e limitações da técnica de manufatura aditiva para a indústria aeroespacial.

Durante a manufatura, a formação da fase austenita ($ \gamma $) na matriz de martensita ($ \alpha $) é desejada, pois ela é parcialmente responsável pela ductilidade do aço. Foram feitas análises in situ durante a execução de tratamentos térmicos de revenido – aplicado nos aços para corrigir a tenacidade e a dureza excessivas – em 610, 650 e 690°C durante 2200s, seguido de resfriamento até temperatura ambiente, sumarizadas na Figura 1.

O aumento da temperatura de revenido permite que a formação da fase $  \gamma $ seja mais rápida, e que a quantidade total produzida aumente. Porém, temperaturas excessivas, como 690°C, promovem formação excessiva da fase $ \gamma $ e resultam na transformação indesejada da $\gamma$ em $ \alpha $ durante o resfriamento em torno de 160°C.

Figura 1: Mapa de intensidade de picos de difração de raios X em função do tempo. Tratamentos térmicos de revenido foram simulados na linha XTMS, usando temperaturas de transformação de 610, 650 e 690°C durante 2200s, seguidas de ciclos de resfriamento até a temperatura ambiente. Adaptado de [1].

Fonte: [1] F.F. Conde, J.D. Escobar, J.P. Oliveira, A.L. Jardini, W.W. Bose Filho, J.A. Avila, Austenite reversion kinetics and stability during tempering of an additively manufactured maraging 300 steel, Additive Manufacturing 29 (2019) 100804. DOI: 10.1016/j.addma.2019.100804.

Os autores do estudo agradecem o apoio da FAPESP (processos 2017/17697-5 e 2019/00691-0).