Characterization of a multi-material 2319/5754 aluminium alloy component produced via wire arc additive manufacturing process

Abstract

Com o avanço das tecnologias atuais disponíveis no mercado, os processos de manufatura aditiva (MA) têm se tornado cada vez mais confiáveis e preparados para as mais diversas situações das quais podem ser aplicadas, fazendo com que se tome nota assim a sua introdução em outros setores da indústria, especialmente a variante manufatura aditiva por arco e arame (MAAA). Setores tradicionais da indústria, tais como aeroespacial, se beneficiam muito com os processos MA, especialmente a variante antes mencionada, que é utilizada para materiais como titânio e em particular alumínio, por causa da sua elevada taxa de baixa perda de material que possui, e a alta deposição que a MAAA tem sob os outros processos do seu tipo. Se tem muito interesse na pesquisa referente ao material antes citado, já que as ligas de alumínio apresentam uma alta gama de aplicações por causa das diferentes séries de liga que tem, especialmente as séries 2XXX e 5XXX. Portanto, é de interesse conseguir unir as melhores propriedades de ambas as ligas, o que é possível através de materiais funcionalmente graduados (MFG), dos quais permitem com que o componente tenha um gradiente de composição de materiais, e consequentemente as propriedades desejadas. Com isto em mente, este estudo foca na caracterização de um componente MFG feito das ligas de alumínio 2319 e 5754 através do uso do processo de soldagem metálica por arco elétrico (SMAE) usando 100 A de corrente, 18,4 V de tensão, Distância Tocha Substrato (DTS) de 10 mm, Velocidade de Alimentação de 6 m/min, Velocidade de Soldagem (VS) de 0,9 m/min e correção da altura do arco +1,0. Para isto foram construídas paredes de cordões de solda duplos, dos quais em cada camada era alternada a liga utilizada. Foram também construídas paredes de cordões duplos de solda somente das ligas de alumínio 2319 e 5754, para que desta forma pudesse se ter uma comparação com as amostras de multi material. As paredes foram cortadas em diferentes segmentos, dos quais foram separados para serem usinados em corpos de prova de tração ou enviados para análises de dureza e de microestrutura. Parte das amostras do ensaio de tração da parede de multi material passaram pelo tratamento térmico T6. Análises químicas foram realizadas da base até o topo das paredes, a fim de estudar qualquer tipo de modificação que possa ter tido na distribuição dos elementos presentes em cada liga. Ensaio de dureza demonstrou que o tratamento térmico T6 aumentou a média da dureza da amostra, mas afetou o tamanho de grão. Análise de microestrutura apontou a presença de precipitados, dos quais aumentaram com o tratamento térmico. Ensaio de tração apresentou aumento da tração máxima real e alongamento das amostras de multi material após o tratamento térmico, mas ainda assim com valore inferiores quando comparado com os resultados do material base.

With the advance of the current technology available at the market, the additive manufacturing (AM) processes have become more reliable and suited to a diverse of different situations that it can be applied, thus making noticeable its introduction in other sectors of the industry, specially its variant wire arc additive manufacturing (WAAM).Traditional sectors of the industry, such as the aerospace, benefit a lot of the AM processes, specifically the variant mentioned before, which it is used with materials like titanium and in particular aluminium, because of the high buy-to-fly rate that this process grants, and the high deposition rate that WAAM has over other processes of its kind. There is a lot of interest upon research regarding the later material cited, since aluminium alloys show a wide range of applications because of different alloys series that it has, specially the 2XXX series and 5XXX series. Thus, it’s of significance the possibility of gathering the best properties of both this alloys, which is possible by means of functionally graded materials (FGM), that allow to component to have a gradient of material composition, and consequently of the desired properties. With this in mind, this is study focus on the characterization of a FGM component made of the aluminium alloys 2319 and 5754 made of a gas metal arc welding (GMAW) WAAM process, using 100 A of current, 18,4 V of tension, distance torch to substrate (DTS) of 10 mm, Wire feed speed (WFS) of 6 m/min, Welding Speed (WS) of 0,9 m/min and an arc height correction of +1,0. For this it was constructed double sided welding bead walls, where each layer alternated in between the alloys previously mentioned. It was also built double sided welding bead walls of the 2319 and 5754 alloys, in regard to have a comparison with the multi material sample. The multi material wall was cut in different segments that were then separated to be machined into tensile test specimens or sent to hardness and micrography analysis. Part of the tensile test samples of the multi material wall went through a T6 heat treatment. Chemical analyses were made from the bottom to top regions of specimens to study any kind of modification in the distribution of the elements present in each alloy. Hardness tests demonstrated that the T6 heat treatment increased the average hardness of the sample but affected the size of the grain. Microstructural analysis displayed a large presence of precipitates, that increased with the heat treatment. Tensile tests showed an increase of UTS and elongation of the multi material samples, but still with values lower than the base materials.