Pesquisadores descobrem como imprimir o aço inoxidável mais resistente em impressora 3D.
O aço inoxidável está presente na produção de aviões, navios de carga, usinas nucleares e outras tecnologias, que exigem resistência e durabilidade. O aço inox é uma liga metálica notavelmente forte e resistente à corrosão. E agora, pela primeira vez, o aço 17-4 PH pode ser consistentemente impresso em 3D, mantendo suas características favoráveis.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), da Universidade de Wisconsin-Madison e do Laboratório Nacional de Argonne identificou composições de aço 17-4 específicas que, quando impressas, correspondem às propriedades da versão fabricada convencionalmente. A estratégia dos pesquisadores, descrita na revista Additive Manufacturing , é baseada em dados de alta velocidade sobre o processo de impressão que eles obtiveram usando raios-X de alta energia de um acelerador de partículas.
As novas descobertas podem ajudar os produtores de peças 17-4 PH a usar a impressão 3D para reduzir custos e aumentar sua flexibilidade de fabricação. A abordagem usada para examinar o material neste estudo também pode ajudar a compreender como imprimir outros tipos de materiais e prever suas propriedades e desempenho.
Apesar de suas vantagens em relação à fabricação convencional, a impressão 3D de alguns materiais pode produzir resultados muito inconsistentes para determinadas aplicações. A impressão em metal é particularmente complexa, em parte devido à rapidez com que as temperaturas mudam durante o processo.
“Quando você pensa em manufatura aditiva de metais, estamos essencialmente soldando milhões de pequenas partículas em pó em uma 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, coautora 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.”
Uma impressora 3D do tipo fusão de leito de pó a laser, em ação. A fusão de leito de pó a laser adiciona camadas sucessivas de pó de metal e, em seguida, usa um laser para derreter cada camada no lugar na peça que está sendo criada.
Como o material aquece e esfria tão rapidamente, o arranjo, ou estrutura cristalina, dos átomos dentro do material muda rapidamente e é difícil de definir, disse Zhang. Sem entender o que estava acontecendo com a estrutura cristalina do aço à medida que é impressa, os pesquisadores lutaram por anos para imprimir em 3D o 17-4 PH, em que a estrutura cristalina fosse perfeita – um tipo chamado martensita – e o material apresentasse suas propriedades essenciais, como durabilidade e resistência à corrosão.
Os autores do novo estudo tiveram como objetivo esclarecer o que acontece durante as rápidas mudanças de temperatura e encontrar uma maneira de conduzir a estrutura interna em direção à martensita.
Foi necessário uma câmera de alta velocidade para os pesquisadores observassem as mudanças rápidas na estrutura que ocorrem em milissegundos. Eles encontraram a ferramenta certa para o trabalho de difração de raios X síncrotron, ou DRX.
“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, professora de engenharia mecânica da UW-Madison e co-autora do estudo.
No Advanced Photon Source (APS), uma poderosa fonte de luz no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia, os autores quebraram raios-X de alta energia em amostras de aço durante a impressão.
Os autores mapearam como a estrutura do cristal mudou ao longo de uma impressão, revelando como certos fatores sobre os quais eles tinham controle – como a composição do metal em pó – influenciaram o processo por toda parte.
Embora o ferro seja o principal componente do aço 17-4 PH, a composição da liga pode conter quantidades diferentes de até uma dúzia de elementos químicos diferentes. Os autores, agora equipados com uma imagem clara da dinâmica estrutural durante a impressão como guia, foram capazes de ajustar a composição do aço para encontrar um conjunto de composições incluindo apenas ferro, níquel, cobre, nióbio e cromo.
“O controle de composição é realmente a chave para as ligas de impressão 3D. Ao controlar a composição, podemos controlar como ela se solidifica. Também mostramos que, em uma ampla faixa 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.
Como bônus, algumas composições resultaram na formação de nanopartículas indutoras de resistência que, com o método tradicional, exigem que o aço seja resfriado e depois reaquecido. Em outras palavras, a impressão 3D pode permitir que os fabricantes pulem uma etapa que requer equipamentos especiais, tempo adicional e custo de produção.
Testes mecânicos mostraram que o aço impresso em 3D, com sua estrutura de martensita e nanopartículas indutoras de resistência, correspondia à resistência do aço produzido por meios convencionais.
O novo estudo pode fazer um respingo além do aço 17-4 PH também. Não apenas a abordagem baseada em XRD pode ser usada para otimizar outras ligas para impressão 3D, mas as informações que ela revela podem ser úteis para construir e testar modelos de computador destinados a prever a qualidade das peças impressas.
“Nosso 17-4 é confiável e reprodutível, o que reduz a barreira para uso comercial. Se seguirem essa composição, os fabricantes poderão imprimir de 17 a 4 estruturas que são tão boas quanto as peças fabricadas convencionalmente”, disse Chen.
Fonte: NIST
Artigo original: Q. Guo, M. Qu, CA Chuang, L. Xiong, A. Nabaaa, ZA Young, Y. Ren, P. Kenesei, F. Zhang e L. Chen. A dinâmica de transformação de fase guiou o desenvolvimento de ligas para manufatura aditiva. Manufatura Aditiva. Publicado on-line em 2 de agosto de 2022. DOI: 10.1016/j.addma.2022.103068
