Estudos mecânicos, microestruturais e de fraturas em inconel 825

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5321 (2023) Citar este artigo

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Este artigo apresenta um novo método que usa o processo de fabricação aditiva de arco de arame baseado em transferência de metal a frio para fabricar paredes de Inconel 825–SS316L classificadas funcionalmente. 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 de dendritos alongados para dendritos equiaxiais finos. As propriedades de tração da parede fabricada foram determinadas à temperatura ambiente usando amostras extraídas de Inconel 825, SS316L e as regiões de interface. A morfologia dos espécimes testados em tração revelou significativa deformação plástica, indicando falha dúctil. A tenacidade à fratura da parede foi investigada experimentalmente empregando o teste de deslocamento da ponta da trinca (CTOD). A morfologia da fratura exibiu um modo dúctil de fratura com estrias perpendiculares à direção do desenvolvimento da trinca. 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 os lados Inconel 825 e SS316L têm 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 entendem o valor de novos materiais em termos de economia e meio ambiente. Materiais classificados funcionalmente (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 aprimoradas que são adequados para uma variedade de aplicações, incluindo aeroespacial, naval, engenharia nuclear e revestimentos protetores de alta temperatura aumentou significativamente a atenção para FGMs2. Tamanho e 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), que requerem técnicas de processamento distintas. Eles 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. Ao contrário, em materiais com gradientes contínuos, a composição química ou microestrutura altera continuamente com a posição, tornando quase impossível perceber um limite distinto como a interface através da estrutura graduada3.

Recentemente, muitos pesquisadores se concentraram em FGMs baseados em metal. Sobczak et al.4 discutiram os processos de fabricação fundamentais para FGMs baseados em metal. Domack et al.5 usaram três técnicas de fabricação distintas para criar o Inconel 718-Ti–6Al–4V FGM. Foi relatado que as amostras de deposição direta de metal a laser mostraram 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 dissimilares de Ti–6Al–4 V e AlSi5 e encontraram uma trinca na camada de interface. Originou-se na camada de interface e estendeu-se para o lado 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 fazer 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 pode ser usada para fabricar FGMs de Inconel 625 e SS304L e que as características e modelos termodinâmicos desses 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. A trinca de solidificação pode ocorrer durante a soldagem por fusão desses dois materiais. O processo WAAM baseado em transferência de metal frio (CMT) pode ser usado para evitar esse problema12. O processo CMT é um processo de soldagem a arco de metal a gás modificado que foi desenvolvido em 2004 pela Fronius International, na 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 solda com um controlador embutido puxam o material de enchimento para longe da poça de fusão quando ele entra em 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 sopradores 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 manufatura 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 manufatura aditiva.