Fabricação aditiva, também chamada de impressão 3-D, é comumente usado para construir objetos tridimensionais complexos, camada por camada. Os pesquisadores do A * STAR mostraram que o processo também pode ajudar a tornar uma liga de alto desempenho ainda mais resistente.

Cobalto-cromo-ferro-níquel-manganês (CoCrFeNiMn) é conhecido como uma liga de alta entropia. Descoberto em 2004, é particularmente bom em resistir a fraturas em condições ambientais adversas, como baixas temperaturas. Para fazer um objeto da liga, os pesquisadores normalmente derramam o metal fundido em um molde, deixe esfriar, e então usine-o na forma desejada. Contudo, essa pode ser uma maneira demorada e cara de fazer componentes complexos. Em princípio, a manufatura aditiva pode pular a etapa de usinagem para fabricar diretamente componentes complexos.

Nai Mui Ling Sharon, do A * STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), seus colegas, e colaboradores internacionais mostraram que um método de manufatura aditiva, chamado de fusão seletiva a laser, é bem adequado para a construção de componentes do CoCrFeNiMn. O processo usa um poderoso feixe de laser para derreter minúsculas partículas de pó da liga, que então se fundem para formar um objeto sólido. Notavelmente, os pesquisadores descobriram que o processo realmente produz um material mais forte do que os métodos convencionais de fundição. "Ele exibe uma resistência aprimorada com uma ductilidade relativamente boa, "diz Zhu Zhiguang, um pesquisador da equipe SIMTech que conduziu o estudo.

Os pesquisadores primeiro criaram um pó pré-ligado de CoCrFeNiMn, contendo partículas com uma média de 36 micrômetros de diâmetro. Em seguida, eles usaram fusão a laser para transformar as partículas em cubos de 10 milímetros de largura, ou barras planas de 90 milímetros. Eles também variaram a potência do laser, e a velocidade com que varreu as partículas de liga, para entender como as diferentes condições de impressão afetaram o desempenho da liga.

A análise das amostras revelou uma série de características que determinaram as propriedades do material. Por exemplo, continha poças de fusão microscópicas, um pouco como soldas em miniatura que mantêm o material unido. Ele também continha grãos cristalinos alongados com cerca de 13 micrômetros de diâmetro; esses grãos foram subdivididos em 'células' menores com menos de um micrômetro de largura. Os pesquisadores descobriram que essas células desempenharam um papel crucial no fortalecimento da liga.

Os cristais contêm uma série regular de átomos dispostos em padrões repetidos. Cristais grandes muitas vezes se partem com bastante facilidade - se os átomos de uma parte do cristal escorregam para fora do lugar, eles forçam os átomos vizinhos a deslizar da mesma maneira, enviando uma fratura percorrendo todo o cristal.

Mas os materiais formados a partir de muitos grãos menores podem evitar esse problema. Isso porque a estrutura cristalina de cada grão pode não se alinhar com seus vizinhos, assim, quaisquer deslocamentos atômicos param assim que atingem um limite de grão.

As células minúsculas na liga do pesquisador parecem aumentar esse efeito de fortalecimento, retendo deslocamentos e oferecendo uma grande melhoria na resistência do material. Uma das ligas impressas, preparado usando condições de impressão otimizadas, poderia suportar 510 megapascais de estresse antes de começar a se deformar permanentemente. Isso é quase o dobro da tensão que uma liga CoCrFeNiMn preparada convencionalmente pode suportar.

Os pesquisadores então aqueceram seus objetos impressos em 3D a 900 graus Celsius por uma hora sob uma atmosfera inerte. Isso removeu parcialmente a estrutura celular e reduziu a resistência do material, mas também tornou o material mais dúctil, permitindo que se deforme ainda mais.

Os pesquisadores esperam que o ajuste dos processos de impressão 3D possa melhorar ainda mais as propriedades mecânicas dos materiais. Eles também planejam usar fusão a laser seletiva para fabricar outras ligas de alto desempenho, para que possam estudar como a estrutura microscópica dos materiais afeta suas propriedades. "Com este entendimento, estaremos melhor equipados para adaptar suas propriedades para aplicação industrial, e ajudar a acelerar a adoção da manufatura aditiva, "diz Nai.