Publicação: Manufatura aditiva por deposição a arco de paredes finas de aço inoxidável super duplex com resfriamento ativo por quase-imersão
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO::PROCESSOS DE FABRICACAO, SELECAO ECONOMICA
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Resumo
Entre os processos aplicáveis à manufatura aditiva de metais a manufatura aditiva por
deposição a arco (MADA), que utiliza dos processos tradicionalmente empregados na
soldagem, se destaca pelo menor custo e pelas altas taxas de deposição atingidas. A fabricação
dos aços inoxidáveis super duplex (AISD) por MADA deve visar a deposição de peças com
geometria adequada, livre de defeitos, além de garantir o balanço adequado das fases (ferrita e
austenita) e a minimizar a formação de fases deletérias. Dada a importância do controle das
taxas de resfriamento em MADA, diferentes técnicas de gerenciamento térmico têm sido
estudadas no sentido de mitigar problemas relacionados ao acúmulo de calor, resultante da
energia imposta pelo processo de deposição. Assim, este trabalho tem como objetivo avaliar a
utilização do resfriamento ativo por quase-imersão (RAQI) na deposição de paredes finas de
AISD sob as perspectivas de geometria, microestrutura e tempo de deposição dessas pré-
formas. Ao longo do trabalho foram explorados os modos operacionais CMT e Pulsado,
variantes do processo GMA, com diferentes velocidades de deposição. Em um primeiro
momento foram identificados indícios de maior tendência à formação de poros quando uma
mistura Ar + 2% CO2 foi utilizada, diferentemente de deposições com Ar + 25% He nas quais
não foram encontrados indícios de porosidade. Quanto às condições de resfriamento,
identificou-se que é possível atingir níveis aceitáveis de ferrita e austenita quando se utiliza
resfriamento natural (RN) com tempos de espera entre as camadas tais que a temperatura atinja
100° C. Ao utilizar um tempo de espera curto com RN, o acúmulo de calor acarretou um
aumento progressivo da largura, balanço inadequado de fases e indícios da presença de fase
sigma. Comparando com as condições RN, a utilização da técnica RAQI permitiu a fabricação
de paredes sem indícios de defeitos, com níveis aceitáveis de ferrita e austenita e com temposiv
de espera até 89% curtos. Para uma mesma velocidade de alimentação, ao se utilizar uma
velocidade de deposição duas vezes maior no Pulsado em relação ao CMT, atingiram-se
larguras próximas. Comparadas essas condições, identificou-se melhor acabamento superficial
com Pulsado. No entanto, foram necessárias o dobro de camadas neste modo para atingir uma
mesma altura de parede, acarretando em tempos consideravelmente mais longos de deposição.
Também foram identificados indícios de que a perda de nitrogênio ocorre de forma mais
acentuada no modo Pulsado, resultando em teores de ferrita maiores que o esperado, mas ainda
dentro dos limites. Com exceção das condições em que houve acúmulo de calor (RN com
tempos de espera curtos), a austenita secundária intragranular (γ2), considerada também uma
fase deletéria, apesar de menos crítica que a sigma, foi comumente observada. De modo geral,
a aplicação da técnica RAQI se mostra promissora na deposição de paredes finas de AISD, com
o potencial de reduzir drasticamente o tempo de deposição, sem acarretar prejuízos em termos
de descontinuidades ou problemas metalúrgicos.
Abstract
Within the processes used for additive manufacturing of metals, Wire Arc Additive
Manufacturing (WAAM), which employs processes traditionally applied for welding, stands
out due to the lower costs and higher deposition rates achieved. Strategies to manufacture super
duplex stainless steels (SDSS) parts through WAAM should focus on guaranteeing a deposit
with proper geometry, free from defects, proper phase balance (ferrite and austenite) and
minimize the occurrence of deleterious phases. Given the importance of controlling cooling
rates in WAAM, different thermal management methods have been studied aiming at mitigating
problems related to heat accumulation, resultant from the energy input throughout the
deposition process. Thus, this work aims at assessing the use of Near-Immersion Active
Cooling (NIAC) in the deposition of SDSS thin walls in terms of geometry, microstructure and
deposition time. The operational modes CMT and Pulsed GMA were explored throughout the
work, with different travel speeds. During the first step clues that a higher tendency to form
porosity was caused by the shielding gas composition Ar + 2 % CO2. This was confirmed by
the fact that when Ar + 25% He was applied no indication of porosity was found in the walls.
In terms of cooling conditions, it was found that it is possible to achieve acceptable fractions of
austenite and ferrite with natural cooling (NC) with dwell times long enough so the wall reached
100 °C. With short dwell times and NC, heat accumulation resulted in a progressive increase in
width, unacceptable phase balance and indications of sigma phase presence. By using NIAC it
was possible to manufacture walls with no indications of defects, acceptable phase balance and
dwell times up to 89% shorter, compared to the NC condition. For a same wire feed speed,
when a travel speed two times higher was employed in relation to CMT, similar widths were
achieved. Comparing these two conditions, Pulsed mode resulted in better surface finish.
However, to reach the same wall height, the number of layers was twice greater with Pulsed
mode. Clues were found that a more pronounced nitogren loss occurs during the deposition onvi
Pulsed mode, resulting in ferrite contents higher than expected, but still within the limits. Except
in the conditions where heat accumulation occurred (NC with short times), secondary austenite
(γ2), which is considered also a deleterious phase although less critic than sigma, was commonly
observed. In general, the use of NIAC in WAAM of SDSS thin walls showed itself promising
with the potential of reducing the overall deposition time significantly, without causing defects
or metallurgical problems.
Palavras-chave
MADA, Resfriamento Ativo, RAQI, Gerenciamento térmico, Aços Inoxidáveis Super Duplex, WAAM, Active cooling, NIAC, Thermal management, Super Duplex Stainless Steels
Citação
SCOTTI, Fernando Matos. Manufatura aditiva por deposição a arco de paredes finas de aço
inoxidável super duplex com resfriamento ativo por quase-imersão. 2021. 125 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.471.