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Publicação
Ni-based superalloys 625 and 718 fabricated through in situ interlayer hot forging arc plasma directed energy deposition – grain size refinement and heat treatment development
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 21.14 MB | Adobe PDF |
Orientador(es)
Resumo(s)
Ni-based superalloys fabricated via fusion-based additive manufacturing (AM) typically
exhibit a coarse and oriented microstructure, which may hinder their use in high responsibility
applications. This is especially critical for arc plasma direct energy deposition (AP-DED) due to
its lower cooling rate compared to laser-based AM, which may induce columnar millimeter-
sized grains. AP-DED variants are emerging with the purpose of reducing grain size, particularly
through interlayer mechanical deformation systems. Among these, forging stands out due to
its lighter and more versatile systems.
The present work evaluates the effect of the in situ interlayer hot forging (HF) on the
microstructure and mechanical properties of Inconel 625 and 718 fabricated via AP-DED. The
Inconel 625 AP-DED process was described, followed by the development of a finite element
model to optimize the HF tool. Subsequently, the effects of HF on the microstructure and heat
treatment response of Inconel 625 AP-DED were comprehensively described. Inconel 718, in
addition to coarse microstructure, also exhibits a lower heat treatment response due to the
interdendritic segregation and eutectics formation. Thus, the present work also developed heat
treatments for Inconel 718 AP-DED, which showed satisfactory performance, meeting the
strength and ductility requirements of AMS 5662. However, the grain size problem persists.
When printing Inconel 718 using AP-DED coupled with HF, significant changes in the grain size
(millimeter-sized vs. 90 μm) and texture aspect (cube vs. random) were observed. Additionally,
the anisotropy behavior was notoriously reduced (almost isotropic behavior). However, despite
the grain size refinement, the final grain size is still quite larger in relation to wrought material,
which induces a lower stain hardening and does not significantly affect the ultimate tensile
strength and Young's modulus.
In conclusion, the main advantage introduced by HF-DED is its ability to reduce the
material grain size and promote almost isotropic behavior.
Superligas à base de Ni fabricadas por manufatura aditiva (AM) geralmente apresentam uma microestrutura grosseira e orientada, o que pode dificultar seu uso em aplicações de alta responsabilidade. Isso é especialmente crítico para a deposição por energia direta com arco de plasma (AP-DED) devido à sua menor taxa de resfriamento em comparação com as técnicas de manufatura aditiva baseada em laser, que pode induzir grãos colunares de tamanho milimétrico. Variantes do AP-DED estão a ser desenvolvidas com o propósito de reduzir o tamanho dos grãos, particularmente por meio de deformação intercamadas. Entre estes, o forjamento destaca-se por ser um sistema leves e versáteis. O presente trabalho avaliou o efeito do forjamento a quente intercamadas (HF) na microestrutura e propriedades mecânicas do Inconel 625 e 718 fabricados por meio de AP- DED. O processo de deposição para o Inconel 625 foi descrito, seguido pelo desenvolvimento de um modelo de elemento finito para otimizar a ferramenta HF. Posteriormente, os efeitos do HF na microestrutura e na resposta ao tratamento térmico foram descritos. O Inconel 718, além da microestrutura grosseira, também apresenta uma resposta inferior ao tratamento térmico devido à segregação interdendrítica e à formação de eutéticos. Assim, o presente trabalho também desenvolveu tratamentos térmicos para o Inconel 718 AP-DED, que apresentou desempenho satisfatório, atendendo aos requisitos de resistência e ductilidade da AMS 5662. No entanto, o problema do tamanho do grão persiste. Ao imprimir o Inconel 718 usando AP-DED acoplado com HF, foram observadas mudanças significativas no tamanho do grão (milímetro vs. 90 μm) e textura cristalográfica (cubo vs. aleatório). Além disso, o comportamento anisotrópico foi notoriamente reduzido (comportamento quase isotrópico). No entanto, apesar do refinamento do tamanho do grão, o tamanho final do grão ainda é bem maior que o do material forjado, o que induz a um menor encruamento e não afeta significativamente a resistência à tração final e o módulo de Young. Em conclusão, a principal vantagem introduzida pelo HF-DED é sua capacidade de reduzir o tamanho do grão do material e promover um comportamento quase isotrópico.
Superligas à base de Ni fabricadas por manufatura aditiva (AM) geralmente apresentam uma microestrutura grosseira e orientada, o que pode dificultar seu uso em aplicações de alta responsabilidade. Isso é especialmente crítico para a deposição por energia direta com arco de plasma (AP-DED) devido à sua menor taxa de resfriamento em comparação com as técnicas de manufatura aditiva baseada em laser, que pode induzir grãos colunares de tamanho milimétrico. Variantes do AP-DED estão a ser desenvolvidas com o propósito de reduzir o tamanho dos grãos, particularmente por meio de deformação intercamadas. Entre estes, o forjamento destaca-se por ser um sistema leves e versáteis. O presente trabalho avaliou o efeito do forjamento a quente intercamadas (HF) na microestrutura e propriedades mecânicas do Inconel 625 e 718 fabricados por meio de AP- DED. O processo de deposição para o Inconel 625 foi descrito, seguido pelo desenvolvimento de um modelo de elemento finito para otimizar a ferramenta HF. Posteriormente, os efeitos do HF na microestrutura e na resposta ao tratamento térmico foram descritos. O Inconel 718, além da microestrutura grosseira, também apresenta uma resposta inferior ao tratamento térmico devido à segregação interdendrítica e à formação de eutéticos. Assim, o presente trabalho também desenvolveu tratamentos térmicos para o Inconel 718 AP-DED, que apresentou desempenho satisfatório, atendendo aos requisitos de resistência e ductilidade da AMS 5662. No entanto, o problema do tamanho do grão persiste. Ao imprimir o Inconel 718 usando AP-DED acoplado com HF, foram observadas mudanças significativas no tamanho do grão (milímetro vs. 90 μm) e textura cristalográfica (cubo vs. aleatório). Além disso, o comportamento anisotrópico foi notoriamente reduzido (comportamento quase isotrópico). No entanto, apesar do refinamento do tamanho do grão, o tamanho final do grão ainda é bem maior que o do material forjado, o que induz a um menor encruamento e não afeta significativamente a resistência à tração final e o módulo de Young. Em conclusão, a principal vantagem introduzida pelo HF-DED é sua capacidade de reduzir o tamanho do grão do material e promover um comportamento quase isotrópico.
Descrição
Palavras-chave
additive manufacturing direct energy deposition Ni-based superalloys grain size crystallographic texture interlayer mechanical deformation