Impressão 3D chega a um dos aços inoxidáveis mais fortes do mercado

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/10/2022

Teste real da impressão 3D do aço inoxidável 17-4 PH.
[Imagem: NIST]

Aço inoxidável 17-4

Depois de fazer a liga de titânio mais forte por impressão 3D, a manufatura aditiva agora lançou seus lasers sobre a fabricação dos aços inoxidáveis.

Uma equipe de várias instituições norte-americanas viabilizou a impressão 3D de uma liga notavelmente forte e resistente à corrosão, chamada aço inoxidável de endurecimento por precipitação, e que atende pelo código 17-4 PH.

O PH na sigla vem da expressão em inglês para endurecimento por precipitação, um tipo de tratamento térmico que busca precipitar uma segunda fase no material a partir de uma solução sólida supersaturada, obtendo com isso um aumento na resistência mecânica.

É a primeira vez que o aço 17-4 PH pode ser consistentemente impresso em 3D, mantendo as características da liga fabricada pelos métodos tradicionais.

Esse aço inoxidável é largamente usado na indústria em aplicações altamente exigentes, incluindo navios, aviões e usinas nucleares.

Impressão 3D de metais

Como os metais aquecem e esfriam muito rapidamente durante o processo de impressão 3D, a estrutura cristalina dos átomos dentro do material muda rapidamente. Sem entender o que está acontecendo com a estrutura cristalina do aço à medida que a peça é impressa, os pesquisadores lutam há anos para imprimir em 3D um 17-4, no qual a estrutura cristalina deve ser perfeita - um tipo chamado martensita - para que o material mantenha suas propriedades tão desejadas.

"Quando você pensa em manufatura aditiva de metais, estamos essencialmente soldando milhões de pequenas partículas em pó em uma peça com uma fonte de alta potência, como um laser, derretendo-as em um líquido e resfriando-as em um sólido," disse Fan Zhang, do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia dos EUA. "Mas a taxa de resfriamento é alta, às vezes superior a um milhão de graus Celsius por segundo, e essa condição extrema de não equilíbrio cria um conjunto de desafios de medição extraordinários."

Por isso, a equipe precisou desenvolver uma técnica de visualização ultrarrápida, usando raios X, para monitorar esse processo e, assim, desenvolver a melhor composição do aço para que ele passe pela impressora 3D.

Assim como é necessário uma câmera de alta velocidade para ver as asas de um beija-flor batendo durante o voo, os pesquisadores precisavam de equipamentos especiais para observar mudanças rápidas na estrutura do aço que ocorrem em milissegundos. Eles encontraram a ferramenta certa para o trabalho na difração de raios X síncrotron, ou DRX.

"Na DRX, os raios X interagem com o material e formam um sinal que é como uma impressão digital correspondente à estrutura cristalina específica do material," disse Lianyi Chen, coautor do trabalho.

A equipe analisou a impressão 3D do aço inoxidável em tempo real para definir as condições exatas do pó que deve entrar na impressora.
[Imagem: Qilin Guo et al. - 10.1016/j.addma.2022.103068]

Ajuste da composição da liga

O uso da radiação síncrotron permitiu ver como a estrutura do cristal mudava ao longo da impressão, revelando fatores que precisavam ser controlados - como a composição do metal em pó - para garantir que a estrutura cristalina se mantivesse na peça impressa.

Embora o ferro seja o principal componente do aço 17-4 PH, a composição da liga pode conter quantidades diferentes de até uma dúzia de elementos químicos diferentes. De posse de uma imagem clara da dinâmica estrutural durante a impressão, a equipe usou essa dinâmica como guia, e acabou descobrindo que, para ter uma composição adequada do aço inoxidável em pó basta variar o ferro, níquel, cobre, nióbio e cromo.

"O controle da composição é realmente a chave para a impressão 3D de ligas. Ao controlar a composição, podemos controlar como ela se solidifica. Também mostramos que, em uma ampla faixa de taxas de resfriamento, digamos, entre 1.000 e 10 milhões de graus Celsius por segundo, nossas composições resultam consistentemente em aço 17-4 PH totalmente martensítico," disse Zhang.

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