Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

Resumo Técnico: Fusão por Área de Diodo de Ti6Al4V – Efeitos do Processamento de Múltiplos Lasers na Microestrutura e Tensão Residual

Definição do Problema
A Fusão em Leito de Pó a Laser (LPBF) é uma técnica dominante de manufatura aditiva para componentes metálicos, porém é limitada por ciclos térmicos rápidos que geram gradientes de temperatura acentuados e altas tensões residuais. Essas condições frequentemente levam ao empenamento, trincas e instabilidade dimensional em componentes como o Ti6Al4V. Embora a LPBF produza microestruturas finas benéficas para a resistência, o histórico térmico associado limita o controle sobre o comportamento de solidificação. A Fusão por Área de Diodo (DAM) surgiu como uma alternativa inovadora, utilizando arranjos de diodos laser de baixa potência (808 nm) em vez de um único laser de fibra de alta potência refletido por um sistema galvo. Embora estudos anteriores tenham demonstrado a viabilidade da DAM para vários metais e seu potencial para reduzir as taxas de resfriamento, permanece uma compreensão limitada de como as interações de múltiplos lasers influenciam especificamente a penetração térmica, o comportamento de solidificação e o desenvolvimento de tensão residual no Ti6Al4V.

Metodologia
Este estudo utilizou um sistema DAM customizado desenvolvido na Universidade de Sheffield, apresentando uma cabeça óptica baseada em pórtico capaz de integrar até 100 diodos laser de baixa potência. Para esta investigação, amostras de Ti6Al4V de camada única foram fabricadas usando 3, 4 e 5 lasers de diodo alinhados (comprimento de onda de 808 nm, 5 W por laser). O desenho experimental variou sistematicamente o número de lasers ativados e as velocidades de varredura (100, 150, 200 e 250 mm/min), mantendo um espaçamento de trilha (hatch spacing) constante de 200 µm e uma espessura de leito de pó de 1 mm.

Os métodos de caracterização incluíram:

• Análise de Superfície: Perfilometria 3D para medir a rugosidade superficial ($R_a$).
• Análise Microestrutural: Microscopia óptica (OM) e Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) para geometria da poça de fusão; Difração de Elétrons Retroespalhados (EBSD) para estrutura de grãos, identificação de fase e espaçamento das lâminas $\alpha$; e Difração de Raios-X (XRD) para constituição de fase.
• Análise de Tensão Residual: XRD usando o método $\sin^2\psi$ para medir tensões residuais próximas à superfície tanto nas direções de varredura ($\sigma_{xx}$) quanto perpendiculares ($\sigma_{yy}$).
• Simulação: Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) usando o software FLOW-3D™ para estimar as taxas de resfriamento sob as condições específicas de processamento.

Principais Resultados

1. Morfologia de Superfície: O processo DAM produziu superfícies significativamente mais lisas comparadas ao Ti6Al4V típico da LPBF (que frequentemente exibe $R_a$ de 10–15 µm). A configuração de 5 lasers resultou nas superfícies mais lisas ($R_a$ = 1,2–1,3 µm), atribuído a uma maior razão de sobreposição (aprox. 45,9%) entre trilhas de fusão adjacentes, o que promoveu o remarcelamento parcial e suprimiu o efeito de "balling". Em contraste, a configuração de 3 lasers resultou em superfícies mais rugosas ($R_a$ = 5,4–6,6 µm) devido à menor sobreposição e descontinuidades térmicas.
2. Poça de Fusão e Penetração Térmica: O aumento do número de lasers aumentou tanto a profundidade da poça de fusão quanto a profundidade da Zona Afetada pelo Calor (HAZ). A configuração de 5 lasers a 100 mm/min alcançou uma profundidade de poça de fusão de ~108 µm e uma profundidade de HAZ de ~475 µm. Velocidades de varredura mais altas reduziram a penetração térmica, levando a poças mais rasas e maior instabilidade.
3. Microestrutura e Fase: O processo DAM resultou em uma estrutura de lâminas $\alpha$ mais grosseira (0,8–1,3 µm) comparada à LPBF (tipicamente <0,5 µm). Este engrossamento está ligado às taxas de resfriamento significativamente menores observadas na DAM. Crucialmente, a retenção detectável da fase $\beta$ foi observada em amostras de 4 e 5 lasers, particularmente em velocidades de varredura mais baixas. Isso contrasta com a LPBF, onde o resfriamento rápido tipicamente suprime a retenção da fase $\beta em favor de estruturas martensíticas$\alpha'$. A presença da fase $\beta$ foi atribuída a taxas de resfriamento mais lentas que permitem transformações controladas por difusão.
4. Taxas de Resfriamento: As taxas de resfriamento simuladas variaram de 2.211 K/s a 8.400 K/s, o que é substancialmente inferior aos $10^4$–$10^7$ K/s típicos da LPBF. As taxas de resfriamento diminuíram com o aumento do número de lasers (devido ao acúmulo de calor) e aumentaram com a velocidade de varredura.
5. Tensão Residual: As tensões de tração residuais em amostras DAM foram marcadamente menores do que as relatadas para LPBF. A tensão de tração máxima medida foi de 138,2 MPa (na condição de 3 lasers, 200 mm/min), comparada aos valores de LPBF que podem exceder 688 MPa. Os níveis de tensão diminuíram conforme o número de lasers aumentava (amostras de 5 lasers mostraram as menores tensões) e aumentaram com a velocidade de varredura. A anisotropia de tensão seguiu as tendências da LPBF, com $\sigma_{xx}$ (direção de varredura) consistentemente maior que $\sigma_{yy}$.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que o processo DAM oferece um controle aprimorado sobre a solidificação e a evolução de tensão em componentes de Ti6Al4V. Ao empregar múltiplos lasers de diodo de baixa potência, a DAM alcança taxas de resfriamento significativamente menores, o que facilita a formação de lâminas $\alpha$ mais grossas e a retenção de fases $\beta$, desviando-se das estruturas martensíticas típicas da LPBF.

O estudo postula que essas taxas de resfriamento mais baixas são o mecanismo primário para a redução substancial da tensão de tração residual. Os ciclos térmicos mais lentos permitem o relaxamento de tensão via deformação plástica em temperaturas elevadas, mitigando as altas tensões residuais que frequentemente causam empenamento e trincas na LPBF. Além disso, o acabamento de superfície aprimorado e os níveis reduzidos de tensão sugerem que a DAM tem o potencial de estender a vida útil de serviço de componentes ao suprimir a iniciação de trincas por fadiga.

Os autores mantêm um escopo modesto, observando que os achados atuais são limitados a espécimes de camada única, onde o acúmulo de tensão do ciclo térmico entre camadas é minimizado. Eles concluem que, embora o processo mostre promessa para a fabricação confiável, trabalhos futuros devem se estender a espécimes de múltiplas camadas para compreender totalmente os efeitos térmicos cumulativos na produção de componentes volumosos.