Fabrico aditivo de ligas de alta entropia para o setor aeroespacial

Abstract

The present dissertation focuses on studying the effects of manufacturing parameters on the microstructure and properties of a high entropy alloy produced by additive manufacturing. The “Laser Powder Bed Fusion” (LPBF) process involves the selective fusion of a powder layer by a high-energy laser beam.LPBF has recently received significant attention from the scientific community due to its viability in creating metal parts with complex geometries, with potential applications in biomedical, aviation, and aerospace industries, which is the focus of this work. The process is characterized by short interaction times between the laser and the powder and high localized temperatures, leading to steep thermal gradients and high solidification and cooling rates, resulting in a geometry very close to the intended part.The additive manufacturing of Ti-6Al-4V is considered one of the areas of greatest interest, having already been extensively studied, and it will serve as a comparison with the other two alloys studied in this work. This alloy has unique characteristics but poor structural stability.To find more suitable options and knowing that high entropy alloys stand out for their structural stability, this work proposes the study of two alloys aiming to achieve high structural stability, characteristic of high entropy alloys, along with excellent mechanical properties. This alloy is 41Ti-11Al-4V-36Ni-8Co.A critical study of the LPBF manufacturing process parameters for these alloys will be carried out, considering laser power, scanning strategy, scanning speed, among others. The material characterization will be done based on the variation of these parameters.Proper selection of process parameters can avoid the tendency to generate defects, and the mechanical properties of the part can be predicted based on the LPBF manufacturing parameters.

A presente dissertação incide sobre o estudo dos efeitos dos parâmetros de fabricação na microestrutura e propriedades de uma liga de alta entropia produzida por fabrico aditivo. O processo de “Laser Powder Bed Fusion” (LPBF) consiste na fusão seletiva de uma camada de pó por um feixe de laser de elevada energia.O LPBF tem recebido uma enorme atenção recentemente por parte da comunidade científica devido à viabilidade da realização de peças metálicas com geometria complexa com possíveis aplicações nas indústrias biomédica, aviação e aeroespacial, sendo este o foco do presente trabalho. O processo é caracterizado por tempos curtos de interação do laser com o pó e elevada temperatura localizada, o que conduz a gradientes térmicos acentuados e elevada velocidade de solidificação e arrefecimento, com uma geometria muito próximo da peça pretendida.O fabrico aditivo de Ti-6Al-4V é considerado uma das áreas de maior interesse, tendo já sido extensivamente estudada, e servirá de comparação com as outras duas ligas estudadas no presente trabalho. Esta liga tem características únicas, mas uma pobre estabilidade estrutural.Com o objetivo de encontrar novas opções mais adequadas e sabendo que as ligas de alta entropia se destacam quanto à sua estabilidade estrutural, propõe-se no presente trabalho o estudo de duas ligas que tencionam alcançar uma estabilidade estrutural elevada, característica das ligas de alta entropia, em conjunto com excelentes propriedades mecânicas. Esta liga é a 41Ti-11Al-4V-36Ni-8Co.Será realizado um estudo crítico dos parâmetros do processo de fabrico LPBF destas ligas, atendendo à potência do laser, estratégia de varrimento, velocidade de avanço, entre outros. E a caracterização do material será feita em função da variação destes parâmetros.A seleção adequada dos parâmetros do processo pode evitar a tendência de geração de defeitos, sendo as propriedades mecânicas da peça capazes de ser previstas atendendo aos parâmetros de fabrico do LPBF.