Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

Na busca por construir máquinas mais leves e fortes, os engenheiros frequentemente recorrem ao alumínio. É um metal que pesa aproximadamente um terço do peso do ferro, mas possui a resistência e a proteção contra a ferrugem necessárias para trabalhos exigentes na aeroespacial e na defesa. No entanto, transformar este metal em peças complexas e de formatos personalizados é difícil. Os métodos tradicionais, como fundição ou usinagem, podem ser dispendiosos ou limitados quanto aos formatos que podem criar. Uma abordagem mais recente, conhecida como manufatura aditiva, constrói objetos camada por camada, de forma muito semelhante a uma impressora 3D, mas em uma escala muito maior. Embora esta tecnologia ofereça grande promessa, ela enfrenta um obstáculo significativo: o calor intenso usado para derreter o fio de metal pode fazer com que o material esfrie de forma desigual. Esse resfriamento desigual frequentemente leva a estruturas cristalinas grandes e fracas e a pequenos buracos internos, o que pode tornar a peça final propensa a rachaduras ou quebras sob estresse. Para um tipo específico de liga de alumínio usada em aplicações críticas, conhecida como série 2319, esses defeitos são particularmente problemáticos, limitando o desempenho do metal em condições do mundo real.

Para resolver isso, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Dalian e da Universidade Huaqiao desenvolveram um novo método que combina dois processos distintos: uma fonte de calor híbrida e um esmagamento mecânico. Eles utilizaram uma técnica chamada manufatura aditiva por arco induzido por laser, que derrete o fio de alumínio usando uma combinação de um arco elétrico e um laser de baixa potência. Esta abordagem híbrida ajuda a criar um metal fundido mais estável do que o uso apenas de um arco elétrico. Mas a verdadeira inovação reside no que acontece imediatamente após cada camada ser depositada. Em vez de deixar o metal quente esfriar naturalmente, a equipe passou um rolo pesado sobre a camada fresca enquanto ela ainda estava morna. Este processo, conhecido como microlaminação, achata a superfície e aplica pressão ao metal. Os pesquisadores queriam ver se este simples ato de rolar poderia corrigir as falhas internas causadas pelo calor e melhorar a resistência da peça de alumínio final.

A equipe construiu blocos de teste usando o fio de liga de alumínio 2319, criando amostras com e sem a etapa de laminação. Eles então examinaram esses blocos de perto para ver o que acontecia dentro do metal. Sem a laminação, o metal esfriava em uma estrutura dominada por cristais colunares longos que cresciam para cima, de forma semelhante a como cristais de gelo podem se formar em um congelador. Esses cristais longos, juntamente com um padrão quebradiço e em forma de teia formado pela mistura de cobre e alumínio, criavam pontos fracos no material. A superfície dessas amostras não laminadas também era irregular, com pequenos declives e ondulações deixados pelo arco de soldagem. Quando os pesquisadores aplicaram o processo de laminação, os resultados mudaram dramaticamente. A pressão do rolo achatou a superfície, removendo as ondulações e criando uma base lisa e nivelada para a próxima camada. Mais importante ainda, a pressão mecânica quebrou os cristais colunares longos e os padrões de teia quebradiços. Em seu lugar, o metal formou grãos minúsculos, uniformes e arredondados que estavam espalhados uniformemente por todo o material.

Essa transformação na estrutura interna do metal teve um impacto direto e mensurável em sua força. Os pesquisadores descobriram que as amostras laminadas eram significativamente mais duras e fortes do que as não laminadas. Em média, a dureza do metal laminado aumentou 4,6 por cento, e sua capacidade de resistir ao ser puxado, conhecida como resistência à tração, melhorou 9,13 por cento. O metal também se tornou mais consistente; as variações de resistência de um ponto a outro foram reduzidas, o que significa que a peça se comportaria de forma mais previsível sob estresse. O processo de laminação também ajudou a eliminar pequenos bolsões de ar, ou poros, que frequentemente ficam presos dentro do metal durante o processo de fusão. Nas amostras não laminadas, esses poros eram maiores e tendiam a se agrupar, agindo como pontos fracos onde rachaduras poderiam começar. Nas amostras laminadas, esses poros eram muito menores e espalhados uniformemente, tornando muito mais difícil para uma rachadura se formar e crescer.

A razão para essa melhoria reside em como o metal reagiu à pressão e ao calor. Quando o rolo pressionou o metal quente, ele forçou os átomos a se rearranjarem e os cristais a se quebrarem em pedaços menores. Este processo criou uma alta densidade de defeitos internos chamados deslocações, que atuam como uma barreira ao movimento, tornando o metal mais difícil de deformar. À medida que a próxima camada de metal fundido era adicionada por cima, o calor dessa nova camada agia como um tratamento de recozimento suave, permitindo que o metal se assentasse em uma nova estrutura mais fina sem perder os benefícios da pressão. Os elementos cobre e manganês dentro da liga, que às vezes podem se agrupar e causar fraqueza, também foram distribuídos de forma mais uniforme pela laminação. Essa distribuição uniforme evitou a formação de grandes aglomerados quebradiços que poderiam enfraquecer a peça. Os pesquisadores observaram que a direção em que os cristais do metal cresciam tornou-se menos dominante, reduzindo a tendência de o material ser forte em uma direção, mas fraco em outra.

Em última análise, o estudo demonstra que adicionar uma simples etapa de laminação ao processo de manufatura pode transformar uma peça de alumínio padrão em um componente de alto desempenho. Ao refinar a estrutura de grãos interna e remover defeitos, os pesquisadores mostraram que é possível superar as limitações da manufatura aditiva tradicional para esta liga específica. As descobertas sugerem que esta abordagem combinada oferece um caminho prático para criar peças de alumínio grandes e complexas que são não apenas leves, mas também fortes o suficiente para as aplicações mais exigentes na aeroespacial e na defesa. O trabalho confirma que controlar o estado físico do metal enquanto ele esfria é tão importante quanto o calor usado para derretê-lo, fornecendo uma nova ferramenta para engenheiros construírem máquinas melhores.