Tratamento térmico de metais impressos em 3D

A impressão de um objeto sólido com pós metálicos usando “fatias” digitais de espessura micrométrica geradas a partir de um desenho assistido por computador não é o fim da história. Assim como com a fundição ou usinagem de componentes metálicos, é necessária uma série de pós-tratamentos térmicos para reduzir as tensões internas, aumentar a densidade e desenvolver a forma final, o acabamento e (mais importante) as fases microestruturais, resultando nas propriedades físicas desejadas.

Os componentes 3D-impressos destinados para aplicações aeroespaciais, nucleares, de turbinas a gás, marinhas ou médicas necessitarão de um tratamento de compressão isostática a quente adicional (HIP-Hot Isostatic Pressing) para densificar completamente o metal, eliminando poros que podem levar a falhas catastróficas (mais sobre isso mais tarde). Novas tecnologias HIP estão tornando possível realizar tratamentos térmicos no mesmo recipiente onde o HIP ocorre, tornando um processo de fabricação mais rápido, mais barato e mais eficiente energeticamente. As máquinas de impressão em metal 3D são variadas, mas vêm em dois tipos básicos: impressoras a laser de alta temperatura ou impressoras de feixe de elétrons e impressoras de binder-jet (utilizando um aglutinante) de baixa temperatura (Fig. 1).

Impressão de Metal 3D em Binder-Jet

A impressão 3D de metal com adição de aglutinante envolve a ligação de camadas finas de um metal em pó (por exemplo, Inconel) com um aglutinante líquido, que é deixado cair de uma cabeça de impressão para um leito de pó, semelhante à tinta de impressão em papel com uma impressora a jato laser. A cabeça de impressão segue um padrão gerado por computador de fatias microfinas do objeto a ser impresso.

Após uma camada de aglutinante ser impressa, o leito de pó é aquecido num processo de cura para ligar o aglutinante ao pó. Em seguida, o leito é abaixado e outra fina camada de pó é espalhada sobre o leito. Mais uma vez, o aglutinante líquido é depositado e ligado às camadas abaixo, eventualmente construindo o objeto camada por camada.

Enquanto o objeto “cresce” é suportado pelo enchimento de pó solto no leito de pó. Isto evita a necessidade de uma placa de construção ou estruturas de suporte de impressas, que teriam de ser removidas mais tarde. Após a impressão estar concluída, o excesso de pó é cuidadosamente aspirado (para ser reutilizado) e o objeto é então aquecido num forno para queimar o material aglutinante e sinterizar as partículas de pó.

Com outras tecnologias de impressão 3D de metais, como a sinterização direta a laser de metais (DMLS), uma fonte de calor direcionada em elevadas temperaturas (por exemplo, um feixe de laser ou de elétrons) aquece uma fina camada de pó em um padrão controlado por computador, que então resfria e liga-se às camadas anteriores. O aquecimento e o resfriamento rápidos e não uniformes das camadas provocam tensões residuais entre a placa de construção e o objeto e dentro do próprio objeto, que devem então ser aliviadas através do tratamento térmico de recozimento. Isto ocorre tipicamente em um forno a vácuo, no qual a peça é aquecida imediatamente abaixo da temperatura de transição do material e mantida durante o tempo suficiente para permitir que as tensões sejam aliviadas (recozimento do material).

Tratamento de Compressão Isostática a Quente (HIP) para a Manufatura Aditiva (MA)

Após o alívio de tensão (recozimento), os componentes podem necessitar passar pelo HIP para eliminar poros e curar defeitos, atingindo 100% da densidade teórica máxima. Tanto a compressão isostática a frio como a quente têm sido utilizadas há décadas para tratar peças fundidas a partir de alumínio em pó, aço e superligas, mas o HIP pode ser também utilizado para tratar objetos de metal 3D (Fig. 2).

“Todos os componentes estruturais ou críticos, tais como aqueles para aplicações aeroespaciais e médicas (Fig. 3) tendem a passar pelo processo HIP para garantir que o material atinja propriedades ótimas de fadiga e fluência”, disse Susan Davies, Ph.D., líder em tecnologia avançada HIP para fornecedores de serviços de tratamento térmico Bodycote.

O processo HIP envolve colocar o objeto impresso dentro de um vaso de pressão e então prenche-lo de gás inerte, tipicamente argônio, para aumentar a pressão em todos os lados da peça, incluindo superfícies internas, tais como as existentes dentro de um tubo. Para HIP, elevadas temperaturas são aplicadas ao mesmo tempo que a pressão de modo que o limite de elasticidade da liga seja excedido.

“Isso permite que qualquer porosidade da MA construída se feche ao deformar plasticamente a estrutura da matriz porosa e permite que os poros superficiais entrem em contato íntimo”, disse Davies. “A deformação plástica é então seguida por mecanismos de fluência e difusão, que permitem que as superfícies se encaixem e sejam ligadas para alcançar propriedades específicas do material”.

De acordo com Davies, diferentes processos de manufatura aditiva (AM) resultarão em diferentes formas de defeitos ou fraquezas na estrutura construída, de modo que os benefícios do HIP dependerão do processo real utilizado. Mesmo se um componente AM passar pelo processo HIP após alívio de tensão (recozimento), no entanto, ainda irá requerer tratamento térmico pós HIP para alcançar propriedades mecânicas ótimas comparáveis com forjado e ligas fundidas

Processo HIP Combinado com Tratamentos Térmicos

Como os tratamentos térmicos e HIP ocorrem em um forno, alguns fabricantes de HIP oferecem atualmente equipamentos capazes de executar HIP e tratamento térmico, o que pode reduzir o tempo de ciclo, aumentar a produtividade e proporcionar reduções significativas de custos.

“As pessoas estão se tornando mais conscientes do fato de que as taxas de resfriamento que você pode alcançar dentro de uma prensa isostática a quente são semelhantes ao que você pode fazer em um forno a vácuo – ou melhor”, disse Peter Henning, diretor de unidade de negócios AMD para HIP fabricante Quintus Technologies AB, Västerås, Suécia.

Resfriamento natural em um sistema HIP pode levar de 8-12 horas, bem mais da metade da duração do ciclo típico, de acordo com Henning. Em comparação, as unidades equipadas com tecnologia de resfriamento rápido podem facilmente resfriar uma carga de trabalho completa em um HIP de tamanho médio de 1260°C para 300°C em menos de 30 minutos.

Uma versão ainda mais avançada do HIP usa taxas variáveis de resfriamento e aquecimento e níveis de pressão para controlar com mais precisão a qualidade e as propriedades mecânicas das peças tratadas através de têmpera rápida. De acordo com Henning, taxas de resfriamento controladas até 3000°C / minuto podem ser obtidas combinando pressão e controle de temperatura (Fig. 4).

“No passado, HIP era estritamente quente, mas a mais recente tecnologia permite tanto as áreas quentes quanto as frias dentro do vaso de pressão”, disse Henning. “Áreas quentes em um forno de grafite podem chegar até 2000°C, e um forno de molibdênio chegam até 1400°C. Para a têmpera, você rapidamente substitui o gás comprimido da zona quente com gás frio comprimido de fora da zona quente, mas ainda dentro da câmara de pressão.

Como o gás argônio frio é altamente pressurizado, ele tem uma densidade maior do que a água, então atua como um agente de têmpera, semelhante ao óleo ou à água em pressões normais. As áreas frias dentro do HIP são mantidas a uma temperatura controlada por água de refrigeração fora do vaso de pressão.

Novas Possibilidades a Caminho

Esta tecnologia HIP-quenching possui benefícios além de aumento na produtividade e redução de custos. Isso abre caminho para novas possibilidades de projeto com base na têmpera e no resfriamento da maneira mais uniforme possível.

“Normalmente, você tem um resfriamento médio com uma temperatura fixa, então no início você tem uma grande diferença de temperatura (ΔT). À medida que o componente quente é resfriado e lentamente se aproxima da temperatura média de resfriamento, a ΔT muda ao longo do tempo “, disse Henning. “Se você colocar um pedaço com seções espessas e finas em um banho de têmpera, as seções irão passar por têmperas muito diferentes porque a parte fina adotará rapidamente a temperatura de resfriamento média, enquanto a parte espessa terá algum tempo para se ajustar a temperatura. Assim, você pode ter uma forma de trinca ou distorção por causa das tensões.

Em contraste, para a têmpera em um HIP, os componentes e o resfriamento médio podem começar à mesma temperatura e, em seguida, a ΔT entre o componente e o meio pode ser controlado ao longo do tempo, resultando em um resfriamento mais uniforme.

“Neste caso, o que fazemos é restringir o resfriamento da parte mais fina para a temperatura média de resfriamento “, disse Henning. “Podemos deter o resfriamento da seção mais fina enquanto se espera que a seção mais espessa resfrie e, em seguida, movemos gradualmente a seção mais fina até a temperatura final de resfriamento para que haja muito menos tensões térmicas formadas devido a diferentes temperaturas na região material.

Como benefício adicional, Henning disse que a utilização de gás comprimido para temperar, ao invés de água ou óleo, significa que não pode ocorrer agitação na superfície do componente, já que o meio de resfriamento é um gás.

Impressão 3D Otimizada

À medida que o mercado de impressão 3D de metal industrial cresce, os avanços na tecnologia e na prática de tratamento térmico continuarão a melhorar.

“Os componentes MA podem passar pelo processo HIP e serem tratados termicamente usando especificações convencionais, mas há uma oportunidade para otimizar o HIP e o tratamento térmico para componentes MA para minimizar a distorção durante o processamento”, disse Davies, da Bodycote.

Tecnologias melhoradas de tratamento térmico devem ajudar a reduzir custos e melhorar o desempenho das peças impressas em 3D.

“Com a densificação do HIP e o tratamento térmico simultâneo, o custo das operações diminui, e o HIP torna-se acessível a outros componentes de alto desempenho”, disse Henning.