A tecnologia de fabricação aditiva a laser tem a vantagem de formar rapidamente peças com formatos complexos e tem recebido ampla atenção nos últimos anos.
Este artigo apresenta duas tecnologias de fabricação aditiva a laser, deposição de energia direcionada (DED) e fusão seletiva a laser (SLM), e resume o progresso da pesquisa na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L a partir das perspectivas de defeitos comuns, estrutura e textura e propriedades mecânicas. .
Ele analisa os problemas existentes na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L e aguarda suas perspectivas de desenvolvimento.
1. Processo de fabricação de aditivos a laser
A fabricação aditiva a laser inclui duas tecnologias, deposição de energia direcionada (DED) e fusão seletiva a laser (SLM).
Ambos usam feixes de laser de alta energia como fontes de calor para derreter localmente o pó metálico e formar uma poça derretida; quando o feixe de laser se afasta, a poça derretida solidifica rapidamente. No entanto, os princípios de funcionamento das tecnologias DED e SLM são diferentes.
DED, também conhecido como engenharia de laser em formato quase líquido, deposição de metal a laser ou formação rápida a laser, é uma tecnologia típica de fabricação aditiva a laser para entrega de pó coaxial.
O pó metálico dentro do tambor de pó entra na poça de fusão através do tubo de transporte e do bocal especialmente projetado. O feixe de laser se move ao longo de uma trajetória predeterminada sob controle do computador para derreter o pó metálico e formar uma camada fina.
Após isso, o cabeçote de deposição se move para cima, continuando a depositar a próxima camada, repetindo esse processo camada por camada até que a peça desejada seja produzida.
Além de formar peças metálicas diretamente, a tecnologia DED também pode ser usada para preparar revestimentos, reparar componentes danificados e preparar materiais com classificação funcional. SLM é uma tecnologia típica de fabricação aditiva a laser em leito de pó.
O pó metálico não é pulverizado pelo bico, mas é pré-espalhado uniformemente no leito de pó. O feixe de laser derrete seletivamente o leito de pó de acordo com um caminho predeterminado.
Após a formação de uma camada, o leito de pó se move uma certa distância para baixo e é repulverizado e derretido seletivamente, repetindo esse processo camada por camada até que a peça desejada seja produzida.
Para evitar a oxidação das peças de aço inoxidável 316L, os processos de formação DED e SLM precisam ser realizados sob proteção de gás inerte.
Além de princípios operacionais diferentes, a Deposição de Energia Direcionada (DED) e a Fusão Seletiva a Laser (SLM) também possuem parâmetros de processo significativamente diversos. O diâmetro do feixe de laser no DED normalmente varia entre 600 e 1300 μm, enquanto no SLM é significativamente menor, geralmente entre 15 e 80 μm.
Atualmente, o pó de aço inoxidável 316L usado para fabricação aditiva a laser é frequentemente preparado por atomização.
Considerando os diâmetros do feixe de DED e SLM, o tamanho de partícula do pó de aço inoxidável 316L para DED geralmente fica entre 45 e 180 μm, enquanto para SLM, normalmente fica entre 5 e 63 μm.
Durante o processo DED, a potência do laser (P) pode atingir de 200 a 720W, mas a velocidade de varredura (v) é frequentemente inferior a 10mm·s-1.
Consequentemente, a densidade de energia da linha (Eeu=P/v) é extremamente alto, chegando a dezenas ou centenas de joules por milímetro. Uma densidade de energia de linha mais alta leva a uma penetração mais forte do laser, de modo que a espessura da camada no DED é geralmente definida entre 254 e 500 μm, com um intervalo de varredura normalmente definido entre 350 e 500 μm.
Em contraste, o SLM utiliza frequentemente menor potência do laser (60 a 380 W) e maior velocidade de digitalização (30 a 7000 mm·s-1), resultando em uma densidade de energia de linha muito baixa, geralmente entre 0,01 e 0,5 J·mm-1.
Para garantir a ausência de defeitos de fusão insuficientes, tanto o intervalo de varredura quanto a espessura da camada no SLM devem ser pequenos o suficiente, geralmente entre 20 a 300 μm e 10 a 60 μm, respectivamente.
Durante a formação de DED, o gradiente de temperatura e a taxa de resfriamento podem atingir até 102 para 103K·mm-1 e 103 para 104K·s-1respectivamente.
Como a densidade de energia da linha no SLM é menor, o gradiente de temperatura dentro da poça de fusão é ainda maior, até 103 para 105K·mm-1, e a taxa de resfriamento é mais rápida, chegando a 104 para 107K·s-1.
2. Defeitos Comuns
Em comparação com as técnicas metalúrgicas tradicionais, a tecnologia de fabricação aditiva a laser tem vantagens significativas.
Porém, se os parâmetros do processo forem escolhidos incorretamente, vários defeitos podem ser introduzidos durante o processo de conformação, como porosidade, falta de fusão e rachaduras. Esses defeitos podem diminuir significativamente as propriedades mecânicas do aço inoxidável 316L.
Portanto, como reduzir ou eliminar esses defeitos é uma questão crucial na fabricação aditiva a laser.
Porosidade e falta de fusão são os dois defeitos mais comuns na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L. A porosidade normalmente parece esférica, originada principalmente de gases no pó de aço inoxidável 316L.
Os poros dentro do pó não podem ser completamente expelidos durante a rápida solidificação da poça de fusão e permanecem dentro do componente. Gases inertes também podem ser arrastados para a poça de fusão e formar poros.
Além disso, durante o processo de fabricação aditiva a laser, a temperatura mais alta ocorre na superfície da peça. O calor é conduzido para dentro, formando uma poça de fusão larga e rasa.
No entanto, quando a potência do laser é extremamente alta ou a velocidade de varredura do laser é muito baixa, ou seja, a densidade de energia da linha do laser é muito alta, a formação da poça de fusão mudará de um modo de condução de calor para um modo de fusão profundo, formando um modo estreito e canal de piscina de derretimento profundo.
Este canal é muito instável e pode facilmente formar poros no fundo da poça de fusão. Acredita-se geralmente que quando a relação entre a largura e a profundidade da poça de fusão cai abaixo de um certo valor crítico, o modo de fusão profunda é acionado.
Para controlar a taxa de porosidade do aço inoxidável 316L na fabricação aditiva a laser, o conteúdo de gás do pó de aço inoxidável 316L deve ser estritamente controlado e os parâmetros do processo devem ser otimizados para evitar a porosidade causada pelo modo de fusão profunda.
Em contraste com o mecanismo de formação de porosidade, a falta de defeitos de fusão normalmente se origina de densidade insuficiente de energia do laser, levando a uma profundidade de fusão inadequada, resultando em grandes vazios de formato irregular entre as camadas. Este tipo de defeito geralmente pode ser resolvido reduzindo a espessura da camada.
A balificação é um dos defeitos comuns na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L. Este fenômeno refere-se à incapacidade das gotículas de metal fundido de formar uma linha fundida contínua, criando em vez disso uma superfície em forma de gota na peça formada; o efeito cumulativo da balização pode reduzir significativamente a precisão da peça.
Este efeito é muitas vezes causado por um teor excessivo de oxigênio na cavidade de formação, o que resulta na oxidação da superfície das gotículas metálicas, impedindo sua fusão. Portanto, é crucial controlar rigorosamente o teor de oxigênio na cavidade de formação durante o processo de formação.
O aço inoxidável 316L é um dos metais adequados para fabricação aditiva, mas houve relatos de defeitos de trincas na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L.
O craqueamento térmico (ou craqueamento por solidificação) é um dos mecanismos importantes de craqueamento, ocorrendo frequentemente no estágio final da rápida solidificação da poça fundida.
Neste ponto, a proporção da fase sólida é grande, a poça fundida é ocupada por uma subestrutura celular e há um filme de fase líquida no limite da subestrutura celular.
A resistência desta estrutura é extremamente baixa, o que a torna propensa a fissuras sob tensão de tração e, neste momento, é difícil para o líquido fluir para preencher a área da fissura, eventualmente formando uma fissura térmica no limite do grão.
Os defeitos comuns e seus mecanismos de formação na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1: Defeitos comuns e seus mecanismos de formação na fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L.
| Nome do defeito | Mecanismo de Formação |
| Poro | Existem poros dentro do pó; o gás de proteção inerte não pode ser expelido da poça de fusão; a seleção inadequada de parâmetros de processo resulta em densidade excessiva de energia do laser, desencadeando um modo de fusão profunda. |
| Fusão incompleta | A densidade de energia do laser é insuficiente, resultando em profundidade de fusão inadequada. |
| Esferoidização | O teor excessivo de oxigênio impede que as gotículas de metal se fundam para formar uma linha fundida contínua. |
| Rachadura | Durante o estágio final de solidificação, o filme da fase líquida no limite da subestrutura celular racha sob tensão de tração. |
3. Microestrutura
Devido ao gradiente de alta temperatura e à taxa de resfriamento, o processo de solidificação da fabricação aditiva a laser exibe um rápido efeito de têmpera.
O aço inoxidável 316L preparado desta forma apresenta uma estrutura extremamente desequilibrada que os métodos tradicionais de fundição não conseguem alcançar.
Normalmente forma uma estrutura cristalina colunar, com numerosas subestruturas celulares minúsculas dentro dos grãos colunares, conforme representado na Figura 1.
Durante o processo de solidificação (incluindo fundição, soldagem, fabricação aditiva a laser, etc.), o gradiente de temperatura G na fase líquida na vanguarda da interface sólido/líquido e a taxa de crescimento V da frente de solidificação determinam juntos a morfologia e o tamanho do grão e sua subestrutura interna.
Quanto menor o G/V, mais fácil é formar uma estrutura de grão equiaxial; inversamente, é mais provável que se forme uma estrutura de grão colunar. Os gradientes de temperatura e as taxas de crescimento variam ao longo da poça de fusão.
Normalmente, o fundo da poça de fusão tem um grande gradiente de temperatura e uma pequena taxa de crescimento, promovendo a formação de cristais colunares, enquanto o topo da poça de fusão tem um pequeno gradiente de temperatura e uma alta taxa de crescimento, facilitando a formação de cristais equiaxiais.
A fabricação aditiva a laser usa um método de deposição camada por camada. Para garantir uma ligação intercamadas suficiente, parte do material da camada anterior será refundido, de modo que a estrutura cristalina equiaxial no topo da poça de fusão muitas vezes não existe, enquanto os cristais colunares na parte inferior da poça de fusão se estendem camada por camada através do crescimento epitaxial.
Além disso, ao contrário da estrutura dendrítica do aço inoxidável 316L fundido, a poça de fusão da fabricação aditiva a laser esfria extremamente rápido durante a solidificação, limitando a formação e o crescimento de dendritos secundários.
Portanto, a interface sólido/líquido da poça fundida de aço inoxidável 316L durante a fabricação aditiva a laser geralmente avança por meio do crescimento celular.
Durante a solidificação, o aço inoxidável 316L formado por DED normalmente forma uma estrutura primária de austenita, e nas paredes celulares da subestrutura celular, há uma segregação pronunciada de elementos estabilizadores de ferrita, como cromo e molibdênio, promovendo assim a formação de uma pequena quantidade de ferrita.
Comparado ao DED, o SLM esfria mais rápido, o efeito de segregação do elemento é bastante reduzido, geralmente não o suficiente para formar ferrita estável, então o aço inoxidável 316L formado por SLM geralmente exibe uma estrutura de austenita monofásica, sem formação de ferrita.
Além da segregação de elementos estabilizadores de ferrita, como cromo e molibdênio, nas paredes celulares da subestrutura celular, a ligeira diferença de orientação entre as subestruturas celulares adjacentes leva a um grande número de discordâncias agrupadas nas paredes celulares, enquanto a densidade de discordância dentro da célula a subestrutura é relativamente baixa, formando uma célula de deslocamento típica.
Além disso, uma certa textura cristalográfica é formada em aço inoxidável 316L através da fabricação aditiva a laser. Ao longo do processo, a direção do fluxo térmico varia dentro da poça de fusão, mas no geral, ela se opõe à direção de formação.
A estrutura do aço inoxidável 316L formada pela fabricação aditiva a laser consiste principalmente em austenita com uma estrutura cúbica de face centrada.
Como a direção <100> é a direção de crescimento mais rápida para cristais cúbicos, o aço inoxidável 316L normalmente forma uma textura fibrosa <100> ao longo da direção de formação durante a fabricação aditiva a laser. O ajuste dos parâmetros do processo, como estratégias de varredura a laser, pode controlar efetivamente a formação de texturas.
4. Propriedades Mecânicas
4.1 Propriedades de Tração
A resistência ao escoamento e a resistência à tração do aço inoxidável 316L produzido por meio de fabricação aditiva a laser normalmente variam de 300 a 600 MPa e 400 a 800 MPa, respectivamente, significativamente maiores do que a resistência ao escoamento (200 a 300 MPa) e a resistência à tração (500 a 600 MPa) de aço inoxidável 316L preparado usando métodos tradicionais.
A resistência ao escoamento ultra-alta do aço inoxidável 316L fabricado com aditivo a laser é atribuída à sua organização estrutural em múltiplas escalas, como grãos finos (aproximadamente 0,2 mm de tamanho), subestruturas celulares (menos de 1 μm de diâmetro), pequenas estruturas de alta densidade. limites de grãos angulares (até 41%), redes de deslocamento (na escala de centenas de nanômetros), fases precipitadas (10 a 150 nm de tamanho) e segregação de elementos localizada (menos de 1 nm de alcance).
Esta organização heterogênea em múltiplas escalas também contribui para o endurecimento contínuo e estável após o rendimento do aço inoxidável 316L.
Além disso, semelhante ao aço inoxidável 316L preparado por processos tradicionais, o aço inoxidável 316L fabricado com aditivo a laser também exibe efeito Hall-Petch dinâmico devido à formação de nanogêmeos auxiliando na deformação durante o processo de deformação plástica por tração, o que ajuda a aumentar o efeito de endurecimento por trabalho, alcançando assim alta resistência à tração e alongamento ultra-alto após a fratura.
A taxa de alongamento pós-fratura do aço inoxidável 316L fabricado com aditivo a laser está intimamente correlacionada com a porosidade dentro do material.
O aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser normalmente exibe estruturas cristalinas colunares e forma certas texturas cristalográficas, tornando as propriedades de tração do aço inoxidável formado anisotrópicas. Ao ajustar as estratégias de varredura, pode-se efetivamente reduzir a textura cristalográfica, tornando o limite de escoamento isotrópico.
No entanto, as estruturas cristalinas colunares ainda levam a níveis variados de endurecimento por trabalho em diferentes direções durante o processo de tração do aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser, resultando em diferenças significativas na resistência à tração e alongamento após fratura em diferentes direções.
Além disso, os processos tradicionais de fabricação de aço inoxidável 316L podem desencadear a transformação da fase martensítica durante a deformação plástica, mas nenhuma transformação martensítica induzida por deformação foi encontrada em estudos atuais sobre a deformação plástica do aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser.
4.2 Desempenho de fadiga
O desempenho de fadiga do aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser é influenciado por vários fatores, incluindo microestrutura, defeitos internos, rugosidade da superfície e direção de carregamento.
A subestrutura de células finas dentro da estrutura do aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser impede significativamente o deslizamento de deslocamento e a nucleação de trincas, melhorando muito o desempenho de fadiga do aço inoxidável 316L.
Após a fabricação aditiva a laser, geralmente é necessário um tratamento térmico de pós-processamento para as peças de aço inoxidável 316L, durante o qual a microestrutura do aço inoxidável 316L pode mudar, afetando seu desempenho à fadiga.
Estudos mostram que após o recozimento para alívio de tensão a 470 ℃, a subestrutura celular do aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser não muda significativamente, portanto, o recozimento para alívio de tensão em baixa temperatura não afeta muito sua resistência à fadiga.
No entanto, quando a temperatura do tratamento térmico é alta o suficiente, ela pode afetar a subestrutura celular do aço inoxidável 316L formado por fabricação aditiva a laser, afetando assim seu desempenho à fadiga.
Defeitos internos e rugosidade superficial substancial degradam significativamente o desempenho à fadiga do aço inoxidável 316L formado pela fabricação aditiva a laser. Estudos indicam que imperfeições internas (como vazios e pó não derretido) e superfícies ásperas levam à concentração de tensão localizada no aço inoxidável 316L.
Essas áreas de concentração de tensão tendem a ser os locais iniciais para a nucleação de trincas por fadiga, promovendo assim a falha por fadiga. Além disso, a direção do carregamento afeta marcadamente o desempenho à fadiga do aço inoxidável 316L formado pela fabricação aditiva a laser.
A resistência à fadiga do aço inoxidável 316L formado a laser é maior quando a direção de carregamento é perpendicular à direção de formação, menor quando eles estão paralelos e menor em um ângulo de 45 graus.
No entanto, a pesquisa atual sobre os mecanismos de propagação de trincas por fadiga no aço inoxidável 316L formado a laser está em sua infância e muitos mecanismos permanecem obscuros ou mesmo contraditórios.
5. Conclusão
O aço inoxidável 316L, com suas excepcionais propriedades mecânicas e de resistência à corrosão combinadas, está entre os materiais de aço inoxidável mais utilizados. Os métodos tradicionais de fundição produzem aço inoxidável 316L com grãos grossos e baixa resistência.
O processamento mecânico térmico refina significativamente o grão e introduz deslocamentos de alta densidade, aumentando a resistência do aço inoxidável 316L.
No entanto, este procedimento é complexo e normalmente utilizado para peças com formas simples.
A tecnologia de fabricação aditiva a laser, caracterizada por sua deposição camada por camada e rápida solidificação, permite moldagem rápida de peças complexas, conferindo características organizacionais únicas, como grãos pequenos, subestruturas celulares internas, limites de grão de pequeno ângulo de alta densidade e alta -luxações de densidade, que são incomparáveis pelos métodos metalúrgicos tradicionais.
A fabricação aditiva a laser de aço inoxidável 316L produz resistência e plasticidade superiores em comparação com o aço inoxidável 316L preparado por métodos metalúrgicos tradicionais.
No entanto, a tecnologia de fabricação aditiva a laser ainda está nos estágios iniciais de pesquisa e aplicação. Estudos futuros deverão explorar ainda mais as microestruturas e os comportamentos mecânicos do aço inoxidável 316L moldado pela fabricação aditiva a laser, juntamente com uma investigação profunda do impacto dos parâmetros do processo na estrutura e no desempenho.
O controle preciso do processo de fabricação fornecerá mais suporte técnico para sua ampla aplicação industrial.
Além disso, controlar a textura cristalográfica para melhorar a anisotropia do desempenho do aço inoxidável 316L moldado pela fabricação aditiva a laser e desvendar seus padrões de propagação de trincas por fadiga são áreas essenciais de pesquisas futuras.
