Nano-ZrO2-enabled powder bed fusion-laser beam of an Al-Cu-Mg alloy

Resumo Técnico: Nano-ZrO2 para viabilização de Fusão em Leito de Pó por Feixe de Laser de uma Liga de Al-Cu-Mg

Definição do Problema
Ligas de alumínio de alta resistência trabalhadas, especificamente o sistema Al-Cu-Mg (série 2xxx), são críticas para aplicações aeroespaciais e estruturais, mas permanecem notoriamente difíceis de processar via Fusão em Leito de Pó por Feixe de Laser de Metais (PBF-LB/M). Diferente das ligas de Al-Si do tipo fundido, que possuem um intervalo de solidificação estreito e alta fluidez, as ligas de Al-Cu-Mg exibem um intervalo de solidificação amplo e forte suscetibilidade à trinca a quente. Esta suscetibilidade decorre da formação de estruturas de grãos colunares epitaxiais contínuas alinhadas com a direção de construção. Durante a solidificação, esses grãos criam contornos contínuos onde filmes eutéticos de baixo ponto de fusão persistem, incapazes de acomodar as tensões de tração geradas pela contração térmica e retração de solidificação. Consequentemente, o processamento convencional de PBF-LB/M dessas ligas resulta tipicamente em trincas extensas, tornando a fabricação de componentes densos e mecanicamente íntegros inviável. Embora a otimização dos parâmetros de processo possa mitigar a porosidade, provou-se insuficiente para eliminar os drivers microestruturais subjacentes da trinca.

Metodologia
Para enfrentar esses desafios, o estudo empregou uma abordagem experimental de duas etapas utilizando um sistema de laser de fibra de onda contínua de 300 W:

1. Estabelecimento da Janela de Processo: Uma liga de Al-Cu-Mg monolítica (pó pré-ligado atomizado por gás) foi processada para mapear a relação entre a densidade de energia volumétrica (VED) e a formação de defeitos. Nove combinações de parâmetros foram testadas variando o espaçamento entre trilhas (40, 60, 80 µm) e a velocidade de varredura (440, 520, 600 mm/s), mantendo constante a potência do laser (260 W) e a espessura da camada (30 µm).
2. Modificação por Nanopartículas: Um pó composto foi criado através da mistura mecânica do pó de Al-Cu-M com 0,5% em peso de nanopartículas de ZrO2 (<50 nm) via moagem de bolas de baixa energia. Este composto foi processado sob os parâmetros ideais identificados na primeira etapa (espaçamento de trilha de 60 µm, velocidade de varredura de 520 mm/s, ~278 J/mm³ de VED).
3. Caracterização: As amostspecimes resultantes foram analisados quanto à densidade relativa, morfologia de defeitos (trincas, porosidade) e evolução microestrutural (tamanho de grão, morfologia, identificação de fase via XRD e SEM). As propriedades mecânicas foram avaliadas através de microdureza Vickers e ensaios de tração uniaxial. Notavelmente, o ensaio de tração foi realizado apenas na liga modificada com ZrO2, pois as amostras monolíticas estavam excessivamente trincadas para serem usinadas em corpos de prova de teste.

Principais Resultados

• Janela de Processo e Defeitos: A liga monolítica exibiu uma forte sensibilidade à densidade de energia. Altas densidades de energia (>328 J/mm³) induziram porosidade de modo "keyhole" (poros esféricos), enquanto baixas densidades de energia (<246 J/mm³) resultaram em defeitos de falta de fusão (LoF). Uma densidade de energia intermediária de ~278 J/mm³ minimizou ambos os tipos de defeitos, alcançando uma densidade relativa máxima de ~97,1% para a liga monolítica. No entanto, a trinca a quente permaneceu pervasiva em todas as condições, com a densidade de trincas diminuindo apenas ligeiramente conforme a densidade de energia aumentava.
• Efeito da Adição de ZrO2: A incorporação de 0,5% em peso de nanopartículas de ZrO2 suprimiu completamente a trinca a quente e reduziu a porosidade residual a níveis negligenciáveis, aumentando a densidade relativa para 99,9%.
• Evolução Microestrutural: A adição de ZrO2 alterou fundamentalmente a estrutura de solidificação. A liga monolítica exibiu grãos colunares epitaxiais grosseiros abrangendo múltiplas camadas (largura média ~120 µm). Em contraste, a liga modificada com ZrO2 exibiu uma morfologia mista coluna-equiaxial refinada. A largura do grão colunar foi reduzida em aproximadamente 75% (para ~30 µm), e a rede contínua de contornos de grão foi interrompida por regiões equiaxiais finas. A análise de XRD confirmou a presença apenas da fase α-Al, sem picos de ZrO2 ou produtos de reação detectáveis, sugerindo que as nanopartículas atuaram como sítios de nucleação ou influenciaram a dinâmica de solidificação sem formar fases secundárias distintas detectáveis por XRD.
• Desempenho Mecânico: O refinamento microestrutural levou a um aumento de ~62% na dureza, subindo de 55 ± 2 HV (monolítica) para 89 ± 2 HV (modificada). A liga modificada com ZrO2 demonstrou um limite de escoamento de 222 ± 12 MPa, uma resistência à tração de 367 ± 10 MPa e um alongamento de 6,9 ± 0,7%. A análise de fratura revelou um modo de fratura misto dúctil-clivagem-intergranular. Em contraste, a liga monolítica não pôde ser testada devido à trinca catastrófica.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a adição de traços de nanopartículas de ZrO2 oferece uma estratégia de baixo custo e prática para viabilizar o processamento PBF-LB/M de ligas de Al-Cu-Mg de alta resistência e suscetíveis a trincas. O estudo demonstra que nanopartículas de óxido podem modificar a via de solidificação ao aumentar a frequência de nucleação e interromper o crescimento de grãos epitaxiais. Isso promove uma transição coluna-equiaxial (CET), que refina a microestrutura e suprime a formação de caminhos contínuos de trinca.

Os autores enfatizam que a otimização isolada dos parâmetros de processo é insuficiente para eliminar a trinca a quente nessas ligas, enquanto a engenharia da estrutura de grãos via inoculação por nanopartículas consegue atingir partes quase totalmente densas e livres de trincas, com propriedades mecânicas significativamente melhoradas. O trabalho sugere que as nanopartículas de ZrO2 atuam através de mecanismos como nucleação heterogênea (potencialmente via formação in-situ de Al3Zr ou outras fases contendo Zr) e Zener pinning, embora as vias exatas de reação requeiram investigação adicional, dado que nenhuma fase secundária foi diretamente detectada. Em última análise, esta abordagem estende a aplicabilidade do PBF-LB/M além das ligas de Al-Si eutéticas para sistemas de endurecimento por precipitação de alta resistência.