Projetando contra heterogeneidades de fase e propriedade em ligas de titânio fabricadas com aditivo

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 4660 (2022) Citar este artigo

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A manufatura aditiva (AM) cria peças projetadas digitalmente pela adição sucessiva de material. No entanto, devido ao ciclo térmico intrínseco, as peças metálicas produzidas por MA quase inevitavelmente sofrem heterogeneidades espacialmente dependentes em fases e propriedades mecânicas, o que pode causar falhas de serviço imprevisíveis. Aqui, demonstramos uma abordagem de design de liga sinérgica para superar esse problema em ligas de titânio fabricadas por fusão a laser em leito de pó. A chave para nossa abordagem é a liga in situ de Ti−6Al−4V (em porcentagem em peso) com adições combinadas de pós de titânio puro e nanopartículas de óxido de ferro (Fe2O3). Isso não apenas permite a eliminação in situ da heterogeneidade de fase por meio da diluição da concentração de V enquanto introduz pequenas quantidades de Fe, mas também compensa a perda de resistência por meio do fortalecimento do soluto de oxigênio. Nossas ligas atingem microestruturas espacialmente uniformes e propriedades mecânicas superiores às do Ti−6Al−4V. Este estudo pode ajudar a orientar o projeto de outras ligas, que não apenas supere o desafio inerente aos processos AM, mas também aproveite as oportunidades de design de ligas oferecidas pelo AM.

Ao contrário dos processos convencionais de fabricação de metal, como fundição e usinagem, a manufatura aditiva (AM) constrói a peça projetada digitalmente, camada por camada, por meio da fusão da matéria-prima (como pó ou arame) com uma fonte de alta energia (por exemplo, laser, feixe de elétrons ou arco de plasma)1,2. Esta característica única dos processos AM é uma faca de dois gumes. Por um lado, oferece a possibilidade de produzir formas, microestruturas e propriedades desejáveis ​​que não podem ser alcançadas usando métodos convencionais de fabricação3,4,5,6,7,8. Por outro lado, o gradiente térmico acentuado intrínseco, a alta taxa de resfriamento em conjunto com a história térmica complexa normalmente encontrada durante AM geralmente resulta em porosidade, segregação elementar, grãos colunares e fases distribuídas heterogeneamente na microestrutura9,10,11, 12 – seja na solidificação ou através de subsequentes transformações de estado sólido – que levam a propriedades mecânicas não uniformes em diferentes locais da peça metálica construída13,14,15,16,17. As questões relacionadas à porosidade, segregação elementar e grãos colunares foram efetivamente abordadas por meio da manipulação de parâmetros de processamento e/ou composições de ligas18,19,20. No entanto, como a falta de homogeneidade de fase ocorre quase inevitavelmente nas ligas que sofrem transformações de fase no estado sólido após a solidificação durante a MA, continua sendo um desafio de longa data alcançar propriedades mecânicas uniformes. Tais fenômenos são mais pronunciados em componentes metálicos fabricados de forma aditiva com geometrias complexas21, que incorporam regiões que respondem diferentemente ao carregamento mecânico, causando falhas de serviço imprevisíveis.

O Ti−6Al−4V é uma das ligas típicas que exibem variação espacial de fases ao longo da direção de construção ao ser fabricado aditivamente22,23,24,25. Durante o processo AM, como a fusão de leito de pó a laser (L-PBF) (Fig. 1a), após a primeira camada ser solidificada, o Ti−6Al−4V passa pelo estado sólido β (estrutura cúbica centrada no corpo) → α′ ( estrutura hexagonal de embalagem fechada) transformação martensítica devido à alta taxa de resfriamento. À medida que as camadas sucessivas são adicionadas, a α' martensita acicular inicialmente formada se decompõe em microestruturas lamelares (α + β) sob extensos ciclos térmicos (Fig. 1a). Portanto, a microestrutura de Ti-6Al-4V fabricada por L-PBF é comumente relatada como apresentando fases espacialmente dependentes ao longo da direção da construção, com martensita α' acicular na superfície superior, enquanto microestruturas lamelares (α + β) parcialmente ou totalmente estabilizadas formando nas regiões inferiores23,24,25. Tal distribuição de fase graduada também é confirmada por microscópio eletrônico de varredura (MEV) (Fig. 1b e Fig. Complementar. 1a, b) e Difração de raios-X (DRX) (Fig. 2 suplementar) neste trabalho (Métodos). Para revelar a influência da falta de homogeneidade de fase nas propriedades mecânicas, realizamos testes de tração das amostras de Ti-6Al-4V produzidas por L-PBF ao longo das direções vertical e horizontal à temperatura ambiente (Métodos). O Ti-6Al-4V conforme fabricado exibe resistência semelhante, mas ductilidade altamente espalhada ao longo de ambas as direções (Fig. 1c). Em particular, a ductilidade à tração (em termos de alongamento à tração até a ruptura) ao longo da direção horizontal varia acentuadamente de 9,4% a 17,6%, com o valor mais baixo observado na superfície superior. Esta tendência, juntamente com a análise microestrutural detalhada (Figs. Suplementares. 3–5 e Nota Suplementar 1), revela que a distribuição de fase espacial é a causa mais provável da ductilidade altamente dispersa observada aqui. Essa observação também é consistente com a crença comum de que a martensita α' acicular geralmente resulta em ductilidade inferior em comparação com a microestrutura lamelar (α + β) devido à sua incapacidade de resistir à iniciação de trincas24,26. Na última década, uma série de estudos foram realizados para eliminar a indesejada α' martensita em Ti-6Al-4V fabricado aditivamente por L-PBF, que se baseiam na estratégia de controle de processo ou design de liga. A primeira estratégia normalmente envolve a manipulação da ciclagem térmica de L-PBF para acionar o tratamento térmico intrínseco (IHT)27, que promove a decomposição in-situ da martensita24,27. No entanto, devido aos ciclos térmicos limitados ou ausentes que as camadas superiores sofrem, a martensita α' acicular pode se decompor apenas parcialmente ou mesmo permanecer24,25. Portanto, a falta de homogeneidade de fase ao longo da direção do edifício não pode ser eliminada. Embora o tratamento térmico pós-AM seja frequentemente realizado para homogeneizar a microestrutura28, infelizmente, prolonga o ciclo de produção e influencia a eficácia dos processos de AM29. Portanto, é altamente desejável eliminar a falta de homogeneidade de fase em primeiro lugar. Alternativamente, a liga in situ de Ti−6Al−4V com elementos estabilizadores β – por exemplo, Mo30 – através de pós elementares permite a formação de uma fase β completa, o que leva a alta ductilidade (embora à custa de perda de resistência). No entanto, as partículas aditivas não fundidas resultantes ou a dramática segregação elementar podem levantar a preocupação de alcançar propriedades mecânicas não uniformes e não reproduzíveis31.