Evaluation of the influence of nozzle cooling during the Hot Forging Wire and Arc Additive Manufacturing process

Abstract

Additive manufacturing processes have emerged to complement the conventional processes, allowing the production of components with high geometrical complexity and reducing raw material waste. Among additive manufacturing processes for metals, the Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) technology has aroused particular interest due to its capacity to produce large-scale components in useful time. However, there are common limitations in additive manufacturing processes that need to be overcome in order to industrialize the process, particularly the formation of porosities, coarse microstructures and anisotropy. This work focused on the design and study of a new variant of WAAM technology that combines the advantages of mechanical deformation with forced cooling. This variant consisted of hot forging between the deposition of each layer using a cooled hammer with the aim of increasing the cooling rate of the material, reducing the peak temperature, promoting grain refinement and reducing the anisotropy. Samples of a high-strength low-alloy (HSLA) steel were produced, with and without the use of the hammer, on which uniaxial tensile tests, microhardness, electrical conductivity and optical microscopy were performed. Moreover, thermography was used to analyze the thermal cycles that occurred in the material. It was found that hot forging contributes to refining the microstructure and reducing the anisotropy of the material. Combining the cooling system with hot forging led to a 77% reduction in hammer temperature and a 12% reduction in peak temperature and has helped to increase the material's cooling rate. After the tensile tests, the samples registered an increase in their mechanical strength and all exhibited ductile fracture. Furthermore, the use of the hammer caused a considerable reduction in the quantity and size of pores. Keywords:

Os processos de fabrico aditivo surgiram com o intuito de complementar os processos convencionais, permitindo a produção de componentes com elevada complexidade geométrica e reduzindo o desperdicio de matéria-prima. Entre os processos de fabrico aditivo de metais, a tecnologia Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) tem suscitado particular interesse, devido à sua capacidade para produzir componentes de grande escala em tempo útil. Contudo, existem limitações comuns nos processos de fabrico aditivo que necessitam de ser ultrapassadas para viabilizar a industrialização do processo, nomeadamente a formação de porosidades, microestruturas grosseiras e anisotropia. Este trabalho incidiu sobre a conceção e estudo de uma nova variante da tecnologia WAAM que combina as vantagens da deformação mecânica com o arrefecimento forçado. Esta variante consistiu no forjamento a quente entre a deposição de cada camada através de um martelo arrefecido com o objetivo de aumentar a taxa de arrefecimento do material, reduzir a temperatura de pico, promover o refinamento de grão e reduzir a anisotropia. Produziram-se amostras de um aço de alta resistência e baixa liga, com e sem a utilização do martelo, nas quais foram realizados ensaios de tração uniaxial, microdureza, condutividade elétrica e microscopia ótica. Adicionalmente, recorreu-se à termografia para analisar os ciclos térmicos que atuaram sobre o material. Concluiu-se que o forjamento a quente contribui para refinar a microestrutura e reduzir a anisotropia do material. A combinação do sistema de arrefecimento com o forjamento a quente provocou uma redução de 77% na temperatura do martelo e de 12% na temperatura de pico, e contribuiu para aumentar a taxa de arrefecimento do material. Após os ensaios de tração, observou-se que as amostras registaram um aumento na resistência mecânica e todas apresentaram fratura dúctil. Verificou-se também que a utilização do martelo provoca uma redução considerável na quantidade e dimensão dos poros.