Heat treatment development of Inconel X-750 superalloy produced using powder bed fusion

Abstract

Introdução: A produção de superligas de Ni-Cr pela técnica de manufatura aditiva de fusão em leito de pó a laser (do inglês powder bed fusion using a laser beam - PBF-LB) tem recebido expressiva atenção na literatura científica recente. Este interesse surge do potencial da técnica para a produção de componentes em geometrias próximas àquelas de sua aplicação (near-net-shape), com alta precisão dimensional e propriedades mecânicas personalizadas. Tal potencial é especialmente interessante no caso de materiais de difícil processabilidade, como é o caso das superligas. Esses materiais são geralmente submetidos a tratamentos térmicos de envelhecimento por precipitação após a sua manufatura a fim de melhorarem suas propriedades termomecânicas, uma etapa de pós-produção que também é necessária no caso de componentes produzidos por manufatura aditiva. Há evidência, no entanto, de que a técnica PBF-LB afete negativamente a eficácia de tratamentos térmicos padrão, de forma que, após o tratamento térmico, os materiais produzidos pela técnica se desviem do que é esperado com base em processos convencionais de fabricação. Tal desvio tem como consequência, então, uma série de impactos deletérios nas propriedades mecânicas do material, os quais afetam a sua aplicabilidade em contexto industrial. Metodologia: Desta forma, a presente dissertação visou ao desenvolvimento de um tratamento térmico de envelhecimento por precipitação para a superliga de Ni-Cr Inconel X-750 quando produzida pela técnica de PBF-LB. Tal desenvolvimento se deu a partir de um tratamento térmico padrão da liga forjada (AMS 5668), concentrando-se no controle da microestrutura e dos defeitos derivados do seu processamento por manufatura aditiva. Para tal, uma rota experimental consistindo na avaliação microestrutural da superliga Inconel X-750 foi concebida, na qual o material foi submetido ao tratamento térmico padrão e a uma série de 78 tratamentos experimentais após a produção por PBF-LB e forjamento. Os corpos de prova produzidos foram então avaliados por microscopia ótica, microscopia eletrônica analítica e microdureza a fim de se quantificarem aspectos microestruturais com impacto relevante em propriedades mecânicas, de forma que as condições ótimas para um tratamento térmico enfocado na produção do material por PBF-LB pudessem ser delineadas. Resultados e Discussão: Focou-se inicialmente na identificação dos efeitos induzidos pelo tratamento térmico padrão ASM 5668 na superliga em estudo. Sua microestrutura foi avaliada antes e depois de cada uma das etapas do tratamento térmico, comparando-se o material forjado e o material produzido por PBF-LB. Puderam-se identificar consideráveis diferenças entre ambos, especialmente no que se refere à morfologia de grãos, à tipologia de contornos de grão, à anisotropia, a tensões residuais e à evolução da microdureza durante o tratamento. Em particular, notou-se que o tratamento induziu a formação da fase intermetálica ?-Ni3Ti nos contornos de grão do material produzido por PBF-LB, a qual não era presente no material convencional. Uma vez essas diferenças identificadas, amostras produzidas por PBF-LB foram sujeitas a tratamentos térmicos experimentais e avaliadas. Identificaram-se quais tratamentos experimentais induziram a formação da fase ?-Ni3Ti, bem como a dependência de características microstruturais para com as condições de tratamento. Em linhas gerais, embora o tamanho de grão tenha apresentado um ponto de máximo dentre as condições sujeitas a uma temperatura de solubilização de 1050 °C, os tratamentos cuja temperatura de solubilização foi de 1150 °C (i.e., semelhante àquela do tratamento padrão) aparentaram ser os mais indicados para a aplicação no que diz respeito à maior parte dos aspectos microestruturais quantificados: anistotropia, contornos de grão, ângulo de desorientação e, com particular evidência, microdureza apresentaram sua melhor configuração quando nessas condições. Não obstante, as condições padrão do tratamento subsequente à solubilização (i.e., a estabilização) mostraram-se inadequadas para o uso em materiais produzidos por PBF-LB, haja vista que o campo de precipitação da fase ?-Ni3Ti se estendeu para tempos tão curtos quanto 35 min (comparando-se às 24 h associadas ao material forjado). Conclusão: Pôde-se concluir, pois, que a eficácia do tratamento térmico AMS 5668 é consideravelmente limitada pelo processamento da superliga Inconel X-750 por meio da técnica de PBF-LB. Desta forma, as diferenças entre as microestruturas produzidas por forjamento e PBF-LB são grandes a ponto de fazerem com que o material produzido por manufatura aditiva seja inapropriado para uso em aplicação mesmo após o tratamento térmico padrão. Embora as microstruturas sujeitas aos tratamentos experimentais ainda difiram do material convencional, a alteração do tratamento térmico AMS 5668 foi capaz de suplantar uma fração dos defeitos induzidos pela técnica de PBF-LB, de forma que condições ótimas a respeito de diversas características microestruturais puderam ser elencadas. Ressalta-se, no entanto, que a aplicabilidade de tais condições é restrita em vista do caráter meramente microestrutural e micromecânico da presente dissertação, sendo pois condicionada a testes mecânicos complementares.

Abstract: The production of Ni-Cr superalloys through the additive manufacturing technique of powder bed fusion using a laser beam (PBF-LB) has been gathering expressive attention in recent scientific literature. This interest arises from the potential of PBF-LB to produce near-net-shape components with high dimensional precision and tailored mechanical properties, which is especially interesting in the case of materials that are difficult to manufacture, such as for superalloys. These materials are usually subjected to age-hardening heat treatments after production in order to increase their thermomechanical properties, a post-production step that is also necessary in the case of additively manufactured materials. There is evidence, however, that the as-built microstructure of PBF-LB superalloys negatively affects the effectiveness of standard heat treatments so that heat-treated microstructures deviate from what is expected based on conventional manufacturing techniques. Thus, the present thesis aimed at the development for additive manufacturing of a standard triple heat treatment sequence (AMS 5668) usually applied during the post-processing of the Ni-Cr superalloy Inconel X-750. The impact of PBF-LB processing on the superalloy?s heat-treated microstructure has been evaluated with regard to various metallurgical features and microhardness. The evaluation aimed to investigate the influence of PBF-LB on potential irregularities or defects that may arise during the heat treatment process. Consequently, 78 experimental heat treatments were devised to control and minimize such phenomena. The microstructure and micromechanical behavior of each one of these experimental conditions have been systematically assessed, leading to the recommendation of particular sequences as potential candidates for a heat treatment sequence optimized for additive manufacturing conditions.