A manufatura aditiva do aço (ou impressão 3D), é vista como uma opção promissora para a indústria aeroespacial. Afinal, ela tem a capacidade de produzir peças customizadas em formatos complexos. No entanto, sua implementação prática ainda apresenta desafios devido às diferenças na microestrutura do aço obtido por essa tecnologia em comparação com os métodos tradicionais de fabricação. Na prática, essa disparidade pode comprometer as propriedades mecânicas do material.
Um artigo publicado no periódico Additive Manufacturing destacou a importância do tratamento térmico para manipular as propriedades de aços produzidos por manufatura aditiva, com o objetivo de melhorar suas características mecânicas. O estudo, realizado por pesquisadores brasileiros e apoiado pela FAPESP, foi conduzido no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas.
Novos horizontes com o aço maraging 300
O foco da pesquisa foi o aço maraging grau 300, um material ultrarresistente obtido através do envelhecimento da matriz martensítica, que, por sua vez, é um produto da austenita. Este tipo de aço é reconhecido pela resistência mecânica e ductilidade, características fundamentais para materiais submetidos a cargas intensas e ciclos de fadiga, como uma turbina de avião ou um trem de pouso.
Durante o estudo, os pesquisadores buscaram maneiras de aumentar a ductilidade do aço maraging produzido por manufatura aditiva. Tradicionalmente, seu envelhecimento é realizado em temperaturas específicas por um período determinado. No entanto, devido à complexidade da precipitação de elementos de liga durante a manufatura aditiva, os tratamentos térmicos convencionais não produziam os resultados desejados.
“Percebemos na literatura que, quando o aço maraging é fabricado por manufatura aditiva, atinge a resistência desejada, mas a ductilidade é menor”, disse Julian Arnaldo Avila Diaz, professor dos cursos de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações e de Engenharia Aeronáutica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em São João da Boa Vista, à Agência FAPESP.
No processo de envelhecimento do aço maraging ocorre o agrupamento dos elementos que compõem sua microestrutura. Esses grupos determinam tanto a resistência quanto a ductilidade do material, sendo sua organização influenciada por variáveis como tempo e temperatura. Porém, devido à heterogeneidade na precipitação dos elementos de liga na matriz durante a manufatura aditiva, o envelhecimento tradicional – realizado em temperaturas variáveis conforme a liga utilizada, geralmente na faixa de 500 °C por até quatro horas – não produz o efeito esperado na microestrutura do aço maraging.
Diante desse desafio, os pesquisadores buscaram alterar os agrupamentos de elementos utilizando temperaturas diferentes das convencionais. O objetivo era aumentar a quantidade de austenita na matriz martensítica, pois ela apresenta maior ductilidade em comparação com a martensita. “Buscamos uma faixa de temperatura e de tempo de exposição em que parte da martensita se dissolvesse o suficiente para formar austenita e ficasse estável, ou seja, não voltasse à forma original”, explicou Diaz.
Avanços com a luz síncrotron
As peças de aço maraging foram construídas por fusão a laser seletiva e homogeneizadas a 820 °C. Depois de fabricadas, as amostras foram submetidas a revenimento (tratamento térmico no campo bifásico) em três temperaturas: 610 °C, 650 °C e 690 °C, por cerca de 30 minutos.
Nos dois primeiros cenários de temperatura, foi observada uma transformação gradual e significativa da martensita em austenita, resultando em uma alta estabilidade térmica que é fundamental para promover a ductilidade do material. No entanto, a temperatura de 690 °C gerou uma formação excessiva da fase austenita, resultando em uma conversão indesejada do material em martensita durante o resfriamento.
A determinação da quantidade de austenita e martensita medida experimentalmente foi comparada com simulações termodinâmicas. O estudo foi feito na estação experimental XTMS, associada à linha de luz XRD1 de difração de raios X do LNLS. Esse tipo de raios X consegue analisar porções bem específicas de materiais, em níveis microscópicos, e transmitir informações em tempo real sobre o comportamento da peça.
Com a luz síncrotron foi possível observar pela primeira vez ao vivo todas as fases do processo neste tipo de aço. Com isso, entende-se que a luz síncrotron é fundamental em pesquisas da área metalúrgica que podem levar a novos materiais e peças para todas as indústrias brasileiras. De acordo com Diaz, todos os processos de fabricação e transformação de metais podem ser analisados de maneira in situ no síncrotron.
Possibilidades para o futuro
Em linhas gerais, a pesquisa traz as bases para um novo tipo de aço feito por impressão 3D, com ductilidade elevada. A partir de agora, deverão ser realizadas mais análises cristalográficas, em diferentes faixas de temperatura. Então, o material deverá ser submetido a testes mecânicos para comprovar se a hipótese de que a ductilidade pode ser melhorada é válida na prática.
Por enquanto, a manufatura aditiva do aço só é usada em protótipos, justamente por conta da imprevisibilidade de sua microestrutura. Mas, espera-se que em breve seja mais fácil viabilizar seu uso efetivo em indústrias críticas.
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