Uma abordagem multimodal para a evolução da microestrutura e resposta mecânica da liga AZ31B Mg depositada por fricção aditiva

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13234 (2022) Citar este artigo

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O trabalho atual explorou a fabricação aditiva de estado sólido da liga AZ31B-Mg usando deposição por fricção e agitação aditiva. Amostras com densidades relativas ≥ 99,4% foram produzidas aditivamente. A evolução espacial e temporal da temperatura durante a deposição por fricção aditiva foi prevista usando um modelo de processo computacional multicamadas. A evolução microestrutural nas amostras fabricadas aditivamente foi examinada usando difração de retroespalhamento de elétrons e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução. As propriedades mecânicas das amostras aditivas foram avaliadas por elastografia de módulo de volume efetivo não destrutivo e testes de tração uniaxial destrutivos. Amostras produzidas aditivamente experimentaram evolução de textura predominantemente basal na superfície superior e um aumento marginal no tamanho de grão em comparação com a matéria-prima. A microscopia eletrônica de transmissão esclareceu a precipitação em escala fina de Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) dentro de amostras de matéria-prima e aditivos. A fração de Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) reduziu nas amostras produzidas aditivamente em comparação com a matéria-prima. O módulo dinâmico em massa das amostras de aditivos foi ligeiramente inferior ao da matéria-prima. Houve uma redução de 30 MPa na tensão de prova de 0,2% e uma redução de 10-30 MPa na resistência à tração final para as amostras produzidas aditivamente em comparação com a matéria-prima. O alongamento das amostras aditivas foi 4–10% menor que o da matéria-prima. Tal resposta de propriedade para a liga AZ31B-Mg depositada por fricção aditiva foi realizada através da evolução da microestrutura em múltiplas escalas conduzida por termocinética distinta.

As ligas de magnésio encontram aplicações nas indústrias automobilística, aeroespacial e biomédica devido à alta resistência específica resultante da baixa densidade desses materiais1,2,3,4,5. As ligas de Mg também apresentam excelente biocompatibilidade6,7 e capacidade de blindagem eletromagnética8. No entanto, as ligas de Mg têm tendência a oxidar durante a fundição e desenvolvem textura forte durante a deformação, limitando assim o processamento de ligas de Mg usando métodos convencionais, como fundição e trabalho a frio . Portanto, os pesquisadores exploraram estratégias para superar essas limitações usando rotas de fabricação aditiva (AM), como fabricação aditiva por feixe de laser (LBAM), fabricação aditiva por arco de arame (WAAM) e deposição por fricção e agitação aditiva (AFSD)10,11,12. As técnicas LBAM e WAAM baseiam-se na fusão do material de alimentação na forma de pó ou arame. Ambas as técnicas LBAM e WAAM dependem da fusão e consolidação do material precursor. Por outro lado, AFSD é um método de estado sólido. O material de alimentação utilizado durante a AFSD é na forma de varetas ou chips disponíveis comercialmente, evitando o uso de pó13. Isto é especialmente importante para o Mg, pois seu pó é altamente pirofórico14.

AFSD funciona com um princípio semelhante ao processamento por fricção e agitação (FSP). No entanto, em vez de uma ferramenta sólida utilizada para FSP, uma ferramenta oca não consumível é empregada durante AFSD. O material de alimentação é alimentado através da ferramenta rotativa oca que se deforma plasticamente devido ao calor friccional gerado entre a ferramenta, o material de alimentação e o substrato. Tal fricção resulta no amolecimento do material de alimentação seguido pela sua extrusão por baixo da ferramenta. A ferramenta é então percorrida para posterior deposição de uma camada. O AFSD evoluiu recentemente com o desenvolvimento de máquinas AM como o MELD®. Tem a capacidade de produzir grandes componentes totalmente densos e com geometrias complexas15,16. MA de ligas ferrosas convencionais17 e não ferrosas18,19,20 foi explorada através do AFSD.

Até o momento, houve poucos relatórios publicados relacionados ao AFSD de ligas de Mg21,22,23. O trabalho de Calvert demonstrou deposição bem-sucedida da liga WE43 Mg através de ASFD, mas faltou explicar a evolução das microestruturas em correlação com os atributos do processo . Robinson et. al. demonstraram AFSD de AZ31B-Mg e examinaram a evolução das propriedades microestruturais e mecânicas . Os resultados do teste de tração mostraram que houve uma queda de 20% na tensão de prova de 0,2% (0,2% PS) e resistência à tração final (UTS) idêntica para o AZ31B-Mg processado por AFSD em comparação com o material AZ31B-Mg forjado . Este trabalho forneceu uma explicação e justificativa limitadas por trás de tal redução das propriedades mecânicas. Em outro esforço, Williams et. al. depositou liga WE43 Mg através de AFSD23. Embora esses autores tenham relatado uma redução de \(\sim\) 22 vezes no tamanho do grão para o material fabricado AFSD em comparação com a matéria-prima, eles ainda observaram uma redução de \(\sim\) 80 MPa em 0,2% PS, \(\sim\) \) Redução de 100 MPa no UTS e redução de 11% no alongamento em comparação com o material de alimentação. Embora este trabalho tenha examinado várias condições de processamento durante o AFSD, faltava uma explicação física sobre a evolução das propriedades estruturais da liga AFSD WE43 Mg.