Desenvolvimento de compósitos de matriz metálica de inconel 625 com reforço de carbeto de nióbio por fusão em leito de pó a laser

Abstract

O presente trabalho descreve a produção e caracterização de compósitos de Inconel 625 reforçados com carbeto de nióbio (NbC) via fusão em leito de pó a laser ou laser powder bed fusion (L-PBF). Discorre-se na revisão bibliográfica a respeito dos compósitos de matriz metálica, propriedades do Inconel 625 e do carbeto de nióbio, técnicas de manufatura aditiva com destaque para a fusão em leito de pó a laser, parâmetros de fabricação e defeitos oriundos do processo. Para a produção dos compósitos, o pó de carbeto de nióbio foi misturado com o pó de Inconel 625 na proporção de 10 wt%, com o auxílio de um moinho de bolas tipo gira jarros. Definiram-se parâmetros de processo para a fabricação de 25 cubos de Inconel 625/NbC via fusão em leito de pó a laser, variando-se a potência do laser e velocidade de varredura, enquanto os parâmetros espessura de camada, espaçamento entre linhas e diâmetro de feixe no foco mantiveram- se constantes. Após manufatura, os componentes foram encaminhados para a etapa de preparação metalográfica. O corte de amostras deu-se por meio de eletroerosão a fio, seguido por etapas de lixamento e polimento conforme procedimentos padrão de metalografia. Análises de densidade e porosidade desenvolveram-se através de imagens de microscópio ótico processadas em um programa para medição de porosidade, desenvolvido em Python com base no pacote OpenCV. Caracterizações microestruturais deram-se por meio de imagens obtidas via microscópio eletrônico de varredura e espectroscopia por energia dispersiva de raio X. Determinou-se ainda a microdureza dos compósitos para fins de caracterização mecânica. A escolha de valores adequados para parâmetros de potência do laser, velocidade de varredura e por consequência densidade de energia laser, mostrou-se importante para obtenção de componentes com densidade > 99% e taxas reduzidas de porosidade. A avaliação das amostras produzidas mostrou que a fusão em leito de pó a laser foi capaz de fabricar compósitos com partículas de reforço parcialmente dissolvidas na matriz metálica. Os resultados de microdureza foram superiores aos encontrados em componentes fabricados apenas de Inconel 625, embora constatados defeitos de processo como poros arredondados e irregulares e inclusões de carbeto de nióbio.

The present work describes the production and characterization of Inconel 625 composites reinforced with niobium carbide (NbC) manufactured by Laser Powder Bed Fusion. The literature review discusses metal matrix composites, properties of Inconel 625 and niobium carbide, additive manufacturing techniques with a focus on laser powder bed fusion, manufacturing parameters, and process related defects. For the composites production, niobium carbide powder was mixed with Inconel 625 powder in a proportion of 10 %wt. using a ball mill. Process parameters were defined for the manufacturing of 25 Inconel 625/NbC cubes via laser powder bed fusion, varying laser power and scanning speed, while layer thickness, hatch spacing, and laser spot size were maintained constant. After production, the components were prepared for metallographic analysis. Sample cutting was performed using wire electrical discharge machining, followed by grinding and polishing according to standard metallographic procedures. Density and porosity analyses were conducted using optical microscope images processed with a custom Python program based on the OpenCV package. Microstructural characterizations were performed using scanning electron microscopy images and energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis. The microhardness of the composites was also determined for mechanical characterization purposes. The selection of appropriate laser power, scanning speed and thus laser energy density parameters proved to be crucial in achieving components with density >99% and reduced levels of porosity. The evaluation of the produced samples demonstrated that laser powder bed fusion was capable of producing composites with reinforcement particles partial dissolved in the metal matrix. Microhardness results were superior then the ones obtained for components manufactured only with Inconel 625, even though the presence of process defects such as circular and irregular pores and niobium carbide inclusions were identified .