Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

Imagine um mundo onde podemos construir objetos metálicos gigantes e complexos não cortando-os de um grande bloco ou derramando metal fundido em um molde, mas sim "imprimindo-os" camada por camada, como uma impressora 3D para maquinário pesado. Este é o reino da Manufatura Aditiva. Enquanto algumas impressoras 3D usam lasers para derreter minúsculos pós metálicos, outras usam uma enorme tocha de soldagem robótica para derreter um arame enquanto o deposita. Este método específico é chamado de Deposição de Energia Direcionada por Arco de Arco e Arame (WA-DED). Pense nisso como uma pistola de cola quente muito precisa e super-rápida, mas em vez de cola, ela está cuspindo aço fundido.

O material em questão aqui é um tipo especial de aço chamado "aço maraging". O nome parece uma mistura de "mar" (para martensita, uma estrutura cristalina superforte) e "age" (porque ele fica ainda mais forte quando você o aquece e o deixa descansar, um processo chamado envelhecimento). É o tipo de metal usado para peças de foguetes e ferramentas de alto desempenho porque é incrivelmente resistente e forte. No entanto, imprimir este tipo específico de aço com uma tocha de soldagem é complicado. Se a "pistola de cola" oscilar ou o calor estiver errado, o metal pode acabar fraco ou cheio de buracos. Cientistas têm tentado descobrir a receita perfeita de velocidade, calor e velocidade do arame para fazer este processo funcionar de forma confiável. Este é o quebra-cabeça que os pesquisadores se propuseram a resolver.

O Grande Quebra-Cabeça da Impressão de Metal

Neste estudo, uma equipe de pesquisadores de Portugal decidiu tratar o processo de impressão de metal como um grande experimento científico. Eles queriam encontrar as configurações "Goldilocks" (o ponto ideal) para imprimir aço maraging 18Ni-350 usando uma tocha de soldagem alimentada por arame. O objetivo deles não era apenas fazer um bloco de metal; eles queriam fazer um bloco que fosse forte, tenaz e livre de defeitos, e então ver o que acontecia quando lhe davam um tratamento térmico especial.

Encontrando a Receita Perfeita
A equipe começou brincando com três botões principais em sua máquina: a rapidez com que a tocha se movia (Velocidade de Deslocamento), a rapidez com que o arame era alimentado na chama (Velocidade de Alimentação do Arame) e quanta potência elétrica era usada (Voltagem). Eles usaram um método estatístico inteligente chamado "Design de Experimentos" para testar dezenas de combinações sem desperdiçar meses de tempo.

Eles mediram a "estabilidade do arco", que é basicamente o quão constante é a chama da soldagem. Imagine tentar desenhar uma linha reta com uma caneta que fica tremendo; esse é um arco instável. Se a caneta estiver firme, você obtém uma linha suave. Os pesquisadores descobriram que a Voltagem e a Velocidade de Alimentação do Arame eram os ingredientes mais importantes. A velocidade da tocha não importava tanto.

Ao analisar os números, eles descobriram a configuração perfeita para manter a chama estável:

• Velocidade de Deslocamento: 481 mm/min
• Velocidade de Alimentação do Arame: 5,9 m/min
• Voltagem: 23,4 V

Com essas configurações, eles previram que o arco seria estável cerca de 96,3% do tempo. É como encontrar a pressão exata para apertar um tubo de pasta de dentes para que o conteúdo saia em um fluxo perfeito e constante, sem espirrar.

Construindo as Paredes
Uma vez com a receita perfeita, eles construíram dois tipos de paredes de metal. Primeiro, fizeram paredes finas de camada única para testar o quão forte o metal era quando puxado (resistência à tração). Depois, construíram uma parede muito mais grossa, depositando quatro cordões de metal por camada, como empilhar tijolos com um pouco de sobreposição, para ver como o metal se comportava em uma forma mais realista e robusta.

Os Resultados: Mais Forte e Mais Tenaz
Quando testaram as paredes finas, os resultados foram impressionantes.

• Antes do Tratamento Térmico (Como Construído/As-Built): O metal já era bastante forte, com uma resistência à tração (Resistência Última à Tração) de 1253 MPa a 1366 MPa, dependendo da direção em que era puxado.
• Após o Tratamento Térmico (Envelhecido): Eles aqueceram o metal a 480 °C por 5 horas e o deixaram esfriar. Esta é a parte do "envelhecimento". De repente, o metal ficou ainda mais forte, atingindo 1613 MPa a 1687 MPa. Melhor ainda, tornou-se mais elástico (o alongamento passou de cerca de 6% para 8,5–10,2%).

Normalmente, quando o metal fica mais forte, ele fica mais quebradiço (como um graveto seco que se parte). Mas aqui, o metal ficou mais forte e mais flexível. Os pesquisadores acreditam que isso ocorre porque o tratamento térmico suavizou algumas das pequenas imperfeições deixadas pelo processo de impressão.

A Surpresa da Parede Grossa
Quando observaram a parede grossa de múltiplas camadas, encontraram algo interessante sobre sua dureza.

• Antes do Tratamento Térmico: Já era bastante duro, com 508 HV1.0.
• Após o Tratamento Térmico: Ficou ainda mais duro, atingindo 625 HV1.0.

O fato de o metal "como construído" já ser tão duro sugere que o processo de construção da parede grossa atuou como um mini-tratamento térmico por conta própria. À medida que cada nova camada de metal quente era adicionada, ela reaquecia as camadas abaixo, temperando-as levemente antes do cozimento final no forno.

O Teste de Tenacidade
Finalmente, eles testaram quanta energia o metal poderia absorver antes de quebrar (tenacidade ao impacto) usando um teste de martelo oscilante (Charpy V-notch).

• Como Construído (As-Built): 438 ± 2 J
• Envelhecido (Aged): 440 ± 3 J

Aqui está a reviravolta: o tratamento térmico tornou o metal mais duro e forte, mas não alterou quanta energia ele conseguia absorver. A tenacidade permaneceu exatamente a mesma. Os pesquisadores explicam que as características que controlam como o metal quebra já foram estabelecidas durante o próprio processo de impressão, não durante o aquecimento final. É como se a "tenacidade" de uma barra de chocolate fosse determinada pela forma como você mistura os ingredientes, não pelo modo como você a embrulha mais tarde.

O Que Vem a Seguir?
O estudo conclui que este método é uma forma viável de fabricar partes grandes, fortes e tenazes de aço maraging 18Ni-350. Eles encontraram um ponto ideal para as configurações da máquina que funciona bem para o modo de "curto-circuito" de soldagem. No entanto, eles observam que este "ponto ideal" está logo na borda das configurações que testaram. Para encontrar um ótimo global verdadeiramente perfeito, seria necessário testar intervalos de configurações ainda mais amplos. Eles também sugerem que trabalhos futuros devem olhar mais profundamente nos minúsculos cristais dentro do metal e ver se um tipo diferente de tratamento térmico antes do envelhecimento final poderia tornar as peças ainda melhores.

Em resumo, estes pesquisadores descobriram como ajustar uma impressora 3D de metal gigante para fazer um aço superforte que melhora após um banho quente, provando que você pode imprimir peças complexas e de alto desempenho sem precisar de uma máquina a laser de milhões de dólares.