Resposta mecânica multiescala hierárquica e heterogênea de uma nova liga de Al fabricada aditivamente investigada por alta

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18344 (2022) Citar este artigo

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A liga inteligente e a engenharia microestrutural atenuam os desafios associados à fabricação aditiva de fusão de leito de pó a laser (L-PBFAM). Uma nova liga de Al-Ni-Ti-Zr utilizou o refinamento de grãos por nucleação heterogênea e solidificação eutética para obter uma sinergia de capacidade de impressão de desempenho superior. Os testes mecânicos convencionais não podem delinear a micromecânica complexa de tais ligas. Este estudo combinou mapeamento nanomecânico e microestrutural multiescala para ilustrar assinaturas mecânicas associadas à distribuição hierárquica de calor e rápida solidificação do L-PBFAM. O efeito de endurecimento desproporcional conferido por Al3(Ti,Zr) precipita nos limites da poça e a zona semi-sólida foi demonstrada com sucesso. A resposta nanomecânica associada à heterogeneidade na fração de volume de partícula e coerência através do pool de fusão foi interpretada a partir de curvas de força-deslocamento de nanoindentação. O mapa de dureza delineou efetivamente as seções mais fracas e mais fortes da piscina com precisão microscópica. A abordagem apresentada serve como uma metodologia de alto rendimento para estabelecer a correlação química-processamento-microestrutura-propriedades de ligas recém-projetadas para L-PBFAM.

A adoção da fabricação aditiva de fusão de leito de pó a laser (L-PBFAM) está redefinindo o paradigma de fabricação nas indústrias aeroespacial, biomédica e de defesa. A capacidade disruptiva dessa tecnologia decorre principalmente do design extraordinário, da flexibilidade composicional e microestrutural1. No entanto, o L-PBFAM de ligas de Al permanece desafiador devido à baixa absortividade do laser, alta suscetibilidade a rachaduras e rápida tendência à oxidação da matéria-prima2. Embora as ligas de Al com composição eutética ou quase eutética (como as ligas de Al ricas em Si) tenham apresentado printabilidade apreciável, suas propriedades mecânicas não estão de acordo com as expectativas da indústria3. Por outro lado, as ligas de Al de alta resistência sofrem muito com a quebra a quente durante o processo L-PBFAM4,5. Uma estratégia eficaz de mitigação tem sido a seleção cuidadosa da composição da liga para melhorar a resistência à trinca e, ao mesmo tempo, obter propriedades mecânicas equivalentes ou melhores que as das ligas de Al de alta resistência6. A abordagem de design de liga orientada por engenharia computacional integrada de materiais (ICME) produziu recentemente várias novas ligas de Al imprimíveis e de alta resistência7. No entanto, para aproveitar totalmente o potencial comercial dessas novas ligas, é necessário o uso mínimo de matéria-prima cara, como Sc ou pós inoculados (a matéria-prima representa aproximadamente 15% do custo de fabricação) e a ampliação da janela de processamento para aumentar a flexibilidade de fabricação8.

Uma nova liga Al-Ni-Ti-Zr com excelente sinergia de desempenho de impressão relatada por Thapliyal et al.9 atende a esses critérios e tem potencial para ampla adoção industrial. Dois importantes atributos microestruturais do material possibilitam essa façanha. O primeiro atributo é a solidificação retardada do eutético Al-Al3Ni, que minimiza a faixa de congelamento terminal e facilita o preenchimento líquido nos estágios finais de solidificação (~ 640 °C). Isso elimina rachaduras a quente e permite a impressão de peças totalmente densas em uma ampla gama de velocidades de digitalização e potências de laser. O segundo fator é uma microestrutura heterogênea cuidadosamente projetada que consiste em grãos multimodais, partículas e segregação eutética Al3Ni–Al. Essa microestrutura ativa vários mecanismos de fortalecimento, aumenta o encruamento e fornece sinergia de alta resistência e ductilidade no material. A separação de grãos colunares grosseiros tipicamente associados com L-PBFAM e a presença de grãos equiaxiais é devido à formação de partículas L12 Al3(Ti,Zr) em um estágio inicial de solidificação. Essas partículas fornecem locais energeticamente favoráveis ​​para nucleação heterogênea (HN) e subresfriamento seletivo, criando microestrutura equiaxial ultrafina perto dos limites do pool. Essas regiões ultrafinas interrompem o crescimento colunar e também ajudam na mitigação de rachaduras a quente. Devido a múltiplos ciclos térmicos e fenômenos de refusão durante o L-PBFAM, um nível complexo de heterogeneidade e hierarquia microestrutural é obtido no componente final.