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Os pesquisadores da Cornell adotaram uma nova abordagem para explorar a forma como a microestrutura emerge em uma liga metálica impressa em 3D: eles a bombardearam com raios X enquanto o material estava sendo impresso.
Ao ver como o processo de deformação termomecânica cria fenômenos localizados em microescala, como flexão, fragmentação e oscilação em tempo real, os pesquisadores serão capazes de produzir materiais personalizados que incorporam essas características de melhoria de desempenho.
O artigo do grupo, “Modos de deformação dendrítica na fabricação aditiva revelados pela difração de raios-X Operando”, publicado em 10 de outubro em Materiais de comunicação. A autora principal é a estudante de doutorado Adrita Dass, MS ’20.
“Sempre olhamos para essas microestruturas após o processamento, mas há muitas informações que faltam ao realizar apenas caracterizações post-mortem. Agora temos ferramentas para poder observar essas evoluções microestruturais à medida que acontecem”, disse Atieh Moridi, assistente professor da Escola Sibley de Engenharia Mecânica e Aeroespacial em Cornell Engineering e autor sênior do artigo. “Queremos ser capazes de entender como esses pequenos padrões ou microestruturas são formados porque eles ditam tudo sobre o desempenho das peças impressas”.
O grupo se concentrou em uma forma de impressão 3D em que um pó – neste caso, a superliga à base de níquel IN625, amplamente utilizada na fabricação aditiva e na indústria aeroespacial – é aplicado via bocal e derretido por um feixe de laser de alta potência. , então esfria e solidifica.
Como não é viável acessar raios X de alta energia no laboratório, os pesquisadores criaram um gêmeo portátil de sua configuração de impressão 3D e o trouxeram para o Centro de Ciências de Raios X de Alta Energia na Fonte Síncrotron de Alta Energia Cornell ( CHEXS@CHESS), no Laboratório Wilson.
A instalação nunca havia conduzido esse tipo de experimento de impressão 3D antes, então o cientista da linha de luz CHESS Darren Pagan, agora professor assistente na Universidade Estadual da Pensilvânia, trabalhou com os pesquisadores para integrar a configuração da impressora em uma das gaiolas de experimentos da instalação. A equipe CHESS também desenvolveu protocolos de segurança cruciais para operar um laser de alta potência junto com pós inflamáveis.
Durante o experimento na linha de luz FAST, um feixe de raios X focado foi enviado para a gaiola, onde passou pelo IN625 enquanto era aquecido, derretido e resfriado. Um detector do outro lado da impressora capturou os padrões de difração resultantes da interação dos raios X com o material.
“A forma como esses padrões de difração se formam nos dá muitas informações sobre a estrutura do material. São as impressões digitais microestruturais que capturam a história do material durante o processamento”, disse Moridi. “Dependendo da interação e do que a causou, obtemos padrões diferentes e, a partir desses padrões, podemos calcular novamente a estrutura do material.”
Normalmente, os pesquisadores tentariam consolidar a quantidade de dados de difração para analisá-los. Mas Moridi, Dass e o estudante de doutorado e coautor Chenxi Tian, MS ’22, assumiram uma tarefa mais desafiadora e estudaram as imagens brutas do detector. Embora esta abordagem exigisse mais tempo e fosse mais trabalhosa, ela forneceu uma imagem mais rica e holística de como o IN625 tomou forma, revelando “características únicas que na maioria das vezes nos faltam”, disse Moridi.
O grupo identificou as principais características microestruturais que foram criadas pelos efeitos térmicos e mecânicos do processo, incluindo: torção, flexão, fragmentação, assimilação, oscilação e crescimento interdendrítico.
Os pesquisadores prevêem que seu método pode ser aplicado a outros metais impressos em 3D, como aços inoxidáveis, titânio e ligas de alta entropia, ou qualquer sistema de material com estrutura cristalina.
O método também pode ajudar no desenvolvimento de materiais mais resistentes. Por exemplo, pulsar um feixe de laser aumentaria a fragmentação dentro de um cristal e reduziria o tamanho dos seus grãos, tornando o material mais forte.
“O objetivo final é ter o melhor sistema de materiais possível para aquela liga específica e para uma aplicação específica”, disse Dass. “Se você sabe o que está acontecendo durante o processamento, pode escolher como processar seus materiais, para obter esses recursos específicos.”
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (NSF) e pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA. Os pesquisadores recorreram ao Cornell Center for Materials Research e ao CHEXS@CHESS, ambos apoiados pela NSF.
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