Impressão 3D de Níquel In625 em pó metálico para componentes de turbinas aeroespaciais

1Introdução

As superligações à base de níquel, particularmente Inconel 625 (In625), são amplamente utilizadas em aplicações aeroespaciais devido à sua resistência excepcional a altas temperaturas, resistência à corrosão e resistência à fadiga.Fabricação aditiva (AM), ou impressão 3D, permite a produção de componentes complexos de turbinas aeroespaciais com menos desperdício de material e maior flexibilidade de projeto.

Esta descrição detalhada abrange as propriedades do pó metálico In625, processos de impressão 3D, pós-processamento e aplicações de turbinas aeroespaciais.

2. Inconel 625 (In625) Propriedades do pó metálico

In625 é uma superliga de níquel-cromo-molibdênio com as seguintes características principais:

Composição química (ASTM B443)

Propriedades mecânicas e térmicas

• Resistência à tração: 930 MPa (à temperatura ambiente)

• Resistência ao rendimento: 517 MPa

• Prolongamento: 42,5%

• Densidade: 8,44 g/cm3

• Ponto de fusão: 1290 - 1350°C

• Resistência à oxidação: Excelente até 980°C

• Resistência à corrosão: Resistente a buracos, corrosão de fissuras e ambientes de água salgada

Características do pó para impressão 3D

• Distribuição do tamanho das partículas: 15 - 45 μm (para LPBF) ou 45 - 106 μm (para DED)

• Morfologia: Esférica (para fluência ideal)

• Método de produção de pó: Atomização de gás (argon ou nitrogénio)

• Fluência: ≤ 25 s/50 g (teste com medidor de caudal de Hall)

• Densidade aparente: ≥ 4,5 g/cm3

3Processos de impressão 3D para In625 em turbinas aeroespaciais

Os métodos de impressão 3D de metal mais comuns para In625 incluem:

A. Fusão de leito de pó a laser (LPBF / SLM)

• Processo: Um laser de alta potência derrete seletivamente o pó In625 camada por camada.

• Vantagens:

  • Alta precisão (± 0,05 mm)

  • Finos acabamentos de superfície (Ra 5 - 15 μm)

  • Adequado para complexos canais internos de arrefecimento em pás de turbinas

• Parâmetros típicos:

  • Potência do laser: 200 - 400 W

  • Espessura da camada: 20 - 50 μm

  • Velocidade de digitalização: 800 - 1200 mm/s

  • Taxa de construção: 5 - 20 cm3/h

B. Deposição direccionada de energia (DED / LENS)

• Processo: Um laser ou um feixe de elétrons derrete o pó In625 enquanto ele é depositado.

• Vantagens:

  • Taxas de deposição mais elevadas (50-200 cm3/h)

  • Apto para componentes e reparações de grandes turbinas

• Parâmetros típicos:

  • Potência do laser: 500 - 2000 W

  • Taxa de alimentação de pó: 5 - 20 g/min

C. Fusão de feixe de elétrons (EBM)

• Processo: utiliza um feixe de elétrons no vácuo para derreter o pó In625.

• Vantagens:

  • Redução da tensão residual (devido à elevada temperatura de pré-aquecimento)

  • Taxas de construção mais rápidas do que LPBF

• Parâmetros típicos:

  • Corrente de feixe: 5 - 50 mA

  • Tensão de aceleração: 60 kV

  • Espessura da camada: 50 - 100 μm

4. Pós-processamento de componentes de turbinas aeroespaciais

Para satisfazer os requisitos aeronáuticos rigorosos, o pós-processamento é essencial:

A. Tratamento térmico

• Relaxamento do stress: 870°C durante 1 hora (refrigeração por ar)

• Solução Requeijão: 1150°C durante 1 hora (escongelamento por água)

• Envelhecimento (se necessário): 700 - 800°C durante 8 - 24 horas

B. Pressão isostática a quente (HIP)

• Finalidade: Elimina a porosidade interna (melhora a duração da fadiga)

• Parâmetros: 1200°C a 100-150 MPa durante 4 horas

C. Usinagem e acabamento

• Machining CNC: para características de tolerância limitada

• Revestimento de superfícies: polir eletroquímico ou usinagem por fluxo abrasivo para superfícies mais lisas

• Ensaios não destrutivos (NDT): tomografia computadorizada por raios-X, ensaios ultrasônicos ou inspecção de penetrantes de corantes

5Aplicações de turbinas aeroespaciais

O In625 impresso em 3D é utilizado em componentes críticos de turbinas, incluindo:

• Turbinas e válvulas (com canais internos de arrefecimento)

• Revestimentos para combustores (resistência ao calor e à corrosão)

• Garrafas de escape (estabilidade a altas temperaturas)

• Bocas de combustível (o motor LEAP da GE Aviation usa o In625 impresso em 3D)

• Reparação de peças usadas de turbinas (via DED)

Vantagens em relação à fabricação tradicional

✔ Redução de peso (estruturas de rede e otimização de topologia)
✔ Produção mais rápida (sem necessidade de ferramentas complexas)
✔ Melhoria do desempenho (canais de arrefecimento otimizados)
✔ Economização de materiais (fabricação quase em forma de rede)

6Desafios e tendências futuras

Desafios:

• O alto custo do pó In625

• Estresse residual e distorção (requer tratamento térmico adequado)

• Limites de reutilização do pó (normalmente 5 a 10 ciclos antes da degradação)

Tendências Futuras:

• Optimização de processos baseada em IA (para impressão livre de defeitos)

• Fabricação híbrida (combinação de AM com usinagem CNC)

• Desenvolvimento de novas ligas (variantes a temperaturas mais elevadas)