Desempenho de fio em alta temperatura

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 4541 (2023) Citar este artigo

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Ao desenvolver um processo de deposição de energia direcionada por arco de arame para superligas usadas em ambientes de voo de alta velocidade, o Inconel 718 foi depositado usando um processo de arco de plasma e testado quanto ao seu desempenho em altas temperaturas. O material depositado foi testado tanto na condição como depositado quanto após um tratamento térmico padrão da indústria de endurecimento por envelhecimento para esta liga. Os resultados mostraram um desempenho reduzido em ambas as condições depositadas, com o material tratado termicamente superando significativamente o desempenho do material depositado até 538 °C. A diferença no desempenho foi menos significativa de 760 a 1000 °C, devido a um processo de envelhecimento em teste que aumentou o desempenho do material depositado. A microestrutura do material depositado apresentou fissuras significativas em toda a liga e formação de fases secundárias em toda a matriz, com significativamente mais precipitação após o tratamento térmico.

A Cranfield University é especializada no desenvolvimento de processos de fabricação aditiva (AM) por deposição de energia dirigida (DED). Este estudo se concentra no DED de arco e fio, também conhecido como Fabricação Aditiva de Fio + Arco (WAAM); onde um arco elétrico é usado para depositar uma matéria-prima de arame1, e onde as taxas de deposição são uma ordem de grandeza maiores do que vários outros processos AM de metal.

Muitas aplicações relacionadas a voos de alta velocidade requerem resistência em altas temperaturas, o que exige o uso de ligas especializadas, como superligas à base de níquel ou Hastelloy. A produção dessas ligas usando WAAM permitirá reduções de custos significativas em relação à fabricação convencional, economizando material e com prazos de entrega bastante reduzidos. Além disso, acelerará enormemente o desenvolvimento de novos designs, uma vez que os protótipos poderão ser fabricados de forma mais rápida e económica. Este artigo explorará o efeito que o processo WAAM tem nas propriedades de tração em alta temperatura do Inconel 718 (IN718).

Inconel 718 é uma superliga à base de níquel endurecida por envelhecimento, que é uma das ligas mais utilizadas em componentes de motores aeroespaciais. O IN718 foi desenvolvido para serviços em altas temperaturas, como tal, foi projetado para resistência em temperaturas mais altas, resistência à fluência e boa vida à fadiga até 650 °C2.

Uma investigação sobre as propriedades de tração à temperatura ambiente e a macroestrutura do arco de arame DED IN718 foi investigada em um estudo anterior por James et al., entre outras ligas. Eles descobriram que as ligas endurecidas por envelhecimento depositadas (AD) tiveram um desempenho significativamente inferior em comparação com sua resistência forjada declarada na literatura3,3. Foi demonstrado que o tratamento térmico do arco de arame DED IN718 melhora as propriedades de tração, Seow et al. relataram um desempenho de tração à temperatura ambiente (RT) de 86% do UTS forjado com tratamento térmico modificado .

Bhujangrao et al. investigaram o desempenho em altas temperaturas do WAAM IN718 em comparação com o material forjado e descobriram que a formação das fases Laves leva a uma redução no desempenho do material WAAM, o que eles dizem ser devido ao comportamento frágil da fase Laves que atua como uma fratura preferencial caminho5. O trabalho de Lan et al. também relata a formação da fase Laves entre os braços dendríticos e sua associação com fissuras8. Artaza et al. investigaram métodos de controle da formação de trincas no WAAM IN718, no estudo descobriram que o uso de uma estratégia de resfriamento entre passes controla a formação das fases Laves e reduz a formação de trincas6.

Ao usar laminação in-situ com laser DED, Li et al. descobriram que através do uso de laminação mecânica das camadas depositadas, as fases Laves formadas no IN718 foram mais dispersas e encontradas em uma fração volumétrica menor em comparação com o material depositado. Eles também descobriram que o laser DED assistido por rolamento melhorou as propriedades de tração do IN7189.

Para entender mais detalhadamente o efeito que o processo WAAM tem nas propriedades de tração em alta temperatura do AD e do IN718 tratado termicamente para uma aplicação de voo de alta velocidade, os testes foram realizados a partir de RT – 1000 °C. Espera-se que a aplicação submeta estruturas externas a temperaturas de serviço tão altas quanto 1000 K (727 °C) e 1200 + K (927 °C) para componentes no caminho do fluxo de propulsão.