Liga de CuCrZr (C18150) é uma liga de endurecimento por precipitação conhecida por suas altas propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. A liga é amplamente utilizada em dispositivos de troca de calor e no campo da fusão nuclear.
Liga CuCrZr é uma liga muito atraente que pode substituir o cobre puro em muitas aplicações, com Cr na faixa de 0,5 wt% a 1,2 wt%, Zr na faixa de 0,03 wt% a 0,3 wt%. E é mais fácil de fabricar, em comparação com o cobre puro, por meio da tecnologia de manufatura aditiva baseada em laser, que tem propriedades mecânicas superiores e garante uma condutividade térmica suficientemente alta que é considerada uma alternativa eficaz ao cobre puro em muitas aplicações.
Para forjados Liga CuCrZrO recozimento por solução e o endurecimento por envelhecimento são os principais tratamentos térmicos que podem ser realizados, enquanto o recozimento por solução pode ser ignorado no caso das ligas LPBF CuCrZr.
Recozimento de solução: Esse tratamento é realizado aquecendo-se o material em uma atmosfera protetora inerte (geralmente Ar) acima de 900°C por 30 minutos ou várias horas. Em seguida, o material é resfriado rapidamente em água ou ar para supersaturar a matriz de cobre com Cr e Zr. No caso de peças LPBF, esse tratamento já está concluído durante o processo LPBF, pois a poça de fusão esfria rápido o suficiente para agir como uma têmpera e produzir uma microestrutura supersaturada. As peças recozidas em solução são muito macias e as propriedades mecânicas são muito fracas, não podendo ser consideradas como um tratamento térmico separado.
Endurecimento por idade: Normalmente, esse tratamento segue o recozimento da solução e é realizado em temperaturas mais baixas por um período de tempo mais longo (normalmente de 400°C a 600°C, até 6 horas em um ambiente inerte (Ar, vácuo, N2 e, às vezes, também em atmosfera de H2). Esse tratamento é projetado para permitir a precipitação controlada de fases intermetálicas duras em materiais supersaturados para produzir compostos binários ou ternários de Cu, Cr e Zr.
Neste trabalho, apenas endurecimento por envelhecimento com a temperatura fixada em 550 °C, três durações diferentes foram verificadas. O objetivo era entender como a duração do tratamento térmico afeta o material e se o tratamento de endurecimento por envelhecimento é aplicável para atender aos requisitos mecânicos do CuCrZr usando manufatura aditiva para componentes de reatores de fusão.
O composição química, distribuição de tamanho de partícula (PSD) e formato de partícula dos pós usado neste estudo é mostrado no certificado abaixo:
Neste estudo, as amostras usadas para investigação foram impressas em geometrias quase em forma de rede. Em seguida, a amostra foi usinada para remover a pele áspera e colocar a amostra na geometria correta para os testes de dureza.
A otimização dos parâmetros é realizada para obter a maior densidade de amostras com a combinação de espaçamento de varredura (na faixa de 0,06-0,1 mm), velocidade do laser (de 350 a 650 mm/s) e potência do laser mantida em 370 W, a largura da faixa fixada em 5 mm e a espessura da camada fixada em 0,03 mm para todas as camadas. Em cada camada, a direção das listras muda com uma rotação de 67°. A orientação vertical neste projeto é a mesma que a orientação do edifício. Diagramado em Figura 1:
Figura 1. Diagrama esquemático do processo de manufatura aditiva
Foram feitos 40 cubos (10 mm x 10 mm x 10 mm) com diferentes combinações de espaçamento e velocidade de varredura. Sua densidade é então medida pelo método de Arquimedes.
As amostras as-built foram tratadas por três endurecimento por envelhecimento a 550 °C por 1 h, 3 h e 6 h em uma atmosfera de nitrogênio com uma inclinação de aquecimento e resfriamento de 150 °C/h (resfriamento em um forno e em uma atmosfera protetora).
O histograma em Figura 2 mostra a densidade relativa média de todas as combinações dos parâmetros do processo de estudo medidos pelo método de Arquimedes. A densidade de referência é igual a 8,8869 g/cm3. Esse valor é então usado para calcular a densidade relativa da amostra fabricada aditivamente.
Figura 2. A densidade relativa das amostras em função dos parâmetros do processo
A maior densidade relativa (99,15%) foi obtida com o seguinte conjunto de parâmetros de processo: potência do laser de 370 W, espaçamento de varredura (distância de hachura) de 0,07 mm, velocidade de varredura de 450 mm/s e largura da faixa de 5 mm. Em um espaçamento de varredura de 0,07 mm, não houve alteração significativa na densidade relativa com diferentes velocidades de varredura.
Um espaçamento de varredura de 0,06 mm não é bom para a densidade, resultando em valores de densidade na faixa de 98-98,5%. Isso pode ser devido ao acúmulo de calor que leva ao superaquecimento, o que reduz a densidade final.
Figura 3 mostra a microestrutura das amostras após 1h e 6h de tratamento de envelhecimento. Isso mostrou que a duração mais longa do endurecimento por envelhecimento não alterou as características microestruturais que podem ser observadas em ampliações baixas, em comparação com a duração de 1h e 6h.
Figura 3. Microestruturas das amostras de 1h e 6h
Figura 4 mostra micrografias de MEV da amostra 6h. Muitas partículas circulares podem ser vistas (especialmente na Figura 5c) em grãos colunares, que podem ser partículas nanoendurecidas. Uma investigação mais aprofundada por EDS para esses precipitados de tamanho nanométrico mostrou que são pequenos precipitados de Cr ou Zr de alguns a 50 nanômetros uniformemente dispersos dentro do material.
Figura 4 Imagens de elétrons secundários do SEM em diferentes ampliações após envelhecimento a 550 °C por 6 h
Também foram observados defeitos nas amostras estudadas. Figura 5 mostra alguns defeitos típicos das peças AM, como a falta de fusão (LoF) e a porosidade criada principalmente pelo aprisionamento de gás.
Figura 5 Defeitos encontrados na seção transversal da amostra as-built da LPBF
Figura 6 são os valores de microdureza Vickers para amostras construídas e tratadas termicamente. É fácil entender que a dureza é mais baixa nas condições de construção em comparação com as amostras envelhecidas: 1 hora de envelhecimento a 550 °C melhora significativamente essa dureza (165 HV, o dobro do valor de 84 HV nas amostras de construção). Após 3 horas de envelhecimento, a dureza da amostra começou a diminuir (média de 144 HV) e, após 6 horas de tratamento, o material amoleceu ainda mais, mas, nesse caso, também houve uma melhora em relação ao estado como construído. Isso significa que a duração de 6 horas é muito longa, resultando no engrossamento dos precipitados. Pode-se observar que 1 hora já é eficaz para aumentar a dureza do material em comparação com as condições de construção. Isso significa que o material foi submetido a um envelhecimento excessivo após 1 hora.
Figura 6 Valores de microdureza Vickers para amostras como construídas e envelhecidas
Em resumo, do ponto de vista mecânico, o tratamento de envelhecimento é promissor para a melhoria das propriedades mecânicas da liga LPBF CuCrZr. Mas é preciso fazer algumas pesquisas para encontrar a combinação prévia de propriedades do pó, parâmetros LPBF e processo de envelhecimento.