Avaliação das ligas Al-5%Cu e Al-4%Cu-1%Ni tratadas por refusão à laser para aplicação em manufatura aditiva

The processing of metals and alloys via Additive Manufacturing (AM) has received special attention in recent years due to the possibility of obtaining parts with complex geometries, quickly and with minimal waste of raw material. Aluminum-based alloys are potential candidates for these processes,...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Schon, Aline Ferreira
Outros Autores: Silva, Bismarck Luiz
Formato: Dissertação
Idioma:pt_BR
Publicado em: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
Engenharia de materiais
Solidificação rápida
Refusão superficial à laser
Ligas Al-Cu-Ni
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/49477
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Schon, Aline Ferreira
Avaliação das ligas Al-5%Cu e Al-4%Cu-1%Ni tratadas por refusão à laser para aplicação em manufatura aditiva
description The processing of metals and alloys via Additive Manufacturing (AM) has received special attention in recent years due to the possibility of obtaining parts with complex geometries, quickly and with minimal waste of raw material. Aluminum-based alloys are potential candidates for these processes, however, currently there are few candidates Al-based alloys for use in AM, such as Al-12wt.%Si and Al-10wt.%Si-xMg system. This occurs because such alloys are susceptible to the formation of pores, cracks, distortions and roughness, which impair high performance applications. The addition of Ni in Al-Cu alloys system makes it possible to improve the mechanical properties at high temperatures and favors the reduction of the solidification interval, which results in a decrease in the amount of hot cracks and porosity in the final material. Given the context, the present research investigates the microstructural changes and the hardness of Al-5wt.%Cu and Al-4wt.%Cu-1wt.%Ni alloys processed by rapid solidification (centrifugation) and treated Laser surface remelting (LSR), in order to reproduce similar AM process conditions (high cooling rates 103 -108 K/s). In order to understand the effect of Ni on the solidification interval, fraction of intermetallics and on temperatures and phase transformations, simulations and thermodynamic calculations were carried out by Thermo-calc software. Characterization techniques such as optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used, in addition to thermal analysis by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Vickers microhardness. The simulations revealed a reduction of the solidification interval of approximately 22% in the Al-4.0wt.%Cu-1.0wt.%Ni alloy, and consequently, a decrease in the porosity of the Laser remelted pools. The microstructure of the rapidly solidified samples is characterized by a α-Al dendritic matrix, surrounded by a eutectic mixture α-Al, Al2Cu and Al7Cu4Ni. In the remelted pools, there was a transition from epitaxial (pool base) to equiaxed (pool center) growth with a significant microstructural refinement around 92% (from λ1=7.63 - 7.41 µm to λ1=0.681 - 0.609µm), which favored an increase of about 82-90% (Al-5wt.%Cu: from 58.4 HV to 106.9 HV / Al-4wt.%Cu-1wt.%Ni: from 60.5 HV to 117 HV) of the microhardness in the microstructures Laser treated.
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This occurs because such alloys are susceptible to the formation of pores, cracks, distortions and roughness, which impair high performance applications. The addition of Ni in Al-Cu alloys system makes it possible to improve the mechanical properties at high temperatures and favors the reduction of the solidification interval, which results in a decrease in the amount of hot cracks and porosity in the final material. Given the context, the present research investigates the microstructural changes and the hardness of Al-5wt.%Cu and Al-4wt.%Cu-1wt.%Ni alloys processed by rapid solidification (centrifugation) and treated Laser surface remelting (LSR), in order to reproduce similar AM process conditions (high cooling rates 103 -108 K/s). In order to understand the effect of Ni on the solidification interval, fraction of intermetallics and on temperatures and phase transformations, simulations and thermodynamic calculations were carried out by Thermo-calc software. Characterization techniques such as optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used, in addition to thermal analysis by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Vickers microhardness. The simulations revealed a reduction of the solidification interval of approximately 22% in the Al-4.0wt.%Cu-1.0wt.%Ni alloy, and consequently, a decrease in the porosity of the Laser remelted pools. The microstructure of the rapidly solidified samples is characterized by a α-Al dendritic matrix, surrounded by a eutectic mixture α-Al, Al2Cu and Al7Cu4Ni. In the remelted pools, there was a transition from epitaxial (pool base) to equiaxed (pool center) growth with a significant microstructural refinement around 92% (from λ1=7.63 - 7.41 µm to λ1=0.681 - 0.609µm), which favored an increase of about 82-90% (Al-5wt.%Cu: from 58.4 HV to 106.9 HV / Al-4wt.%Cu-1wt.%Ni: from 60.5 HV to 117 HV) of the microhardness in the microstructures Laser treated. O processamento de metais e ligas via Manufatura Aditiva (MA) tem recebido especial atenção nos últimos anos devido à possibilidade de obter peças com geometrias complexas, de forma rápida e com o mínimo de desperdícios da matéria prima. As ligas à base de alumínio são potenciais candidatas para estes processos, no entanto, atualmente são poucas as ligas candidatas à base de Al para uso na MA como Al12%Si e sistema Al-10%Si-xMg. Isso ocorre, pois, tais ligas são suscetíveis à formação de poros, trincas, distorções e rugosidade, que prejudicam as aplicações de alto desempenho. A adição de Ni em ligas do sistema Al-Cu possibilita a melhora das propriedades mecânicas a altas temperaturas e favorece a redução do intervalo de solidificação, o que resulta em uma diminuição da quantidade de trincas a quente e porosidade no material final. Dado o contexto, a presente pesquisa investiga as alterações microestruturais e a dureza de ligas Al-5,0%Cu e Al-4,0%Cu-1,0%Ni processadas via solidificação rápida por centrifugação e tratadas por Refusão Superficial à Laser (RSL), a fim de reproduzir condições de processamento similares à MA (altas taxas de resfriamento 103 - 108 K/s). A fim de entender o efeito do Ni no intervalo de solidificação, na fração de intermetálicos e nas temperaturas e transformações de fase, foram realizadas simulações e cálculos termodinâmicos via software Thermo-calc. Técnicas de caracterização como microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios-X (DRX) foram utilizadas, além das análises térmicas por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) e microdureza Vickers. As simulações revelaram uma redução do intervalo de solidificação de aproximadamente 22% na liga Al-4,0%Cu-1,0%Ni, e consequentemente, uma diminuição na porosidade das poças refundidas à Laser. A microestrutura das amostras solidificadas rapidamente é caracterizada por uma matriz dendrítica rica em α-Al, circundado por uma mistura eutética α-Al, Al2Cu e Al7Cu4Ni. Nas poças refundidas ocorreu uma transição do crescimento de epitaxial (base da poça) para equiaxial (centro da poça) com um significativo refino microestrutural em torno de 92% (de λ1=7,63 - 7,41 µm para λ1=0,681 - 0,609 µm), que favoreceu um aumento de cerca de 82-90% (Al-5%Cu: de 58,4 HV para 106,9 HV / Al-4%Cu-1%Ni: de 60,5 HV para 117 HV) da microdureza nas microestruturas tratadas à Laser. 2022-10-05T19:53:12Z 2022-10-05T19:53:12Z 2022-08-01 masterThesis SCHON, Aline Ferreira. Avaliação das ligas Al-5%Cu e Al-4%Cu-1%Ni tratadas por refusão à laser para aplicação em manufatura aditiva. 2022. 94f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/49477 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

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