O estudo da sinterização do pó de aço rápido M3/2 pela tecnologia DMLS baseou-se na utilização de diferentes parâmetros de processo e na optimização da respectiva distribuição granulométrica e densidade aparente. O material foi sinterizado em linha, área e volume utilizando uma distância entre linhas de varrimento constante (0.30mm), três velocidades de varrimento do laser (50, 150, 250mm/s) e duas potências de laser (154 and 180W). O aço rápido M3/2 foi utilizado tal qual e com diferentes adições de uma fracção fina do mesmo material de modo a aumentar a densidade aparente

Esperto, Luís

Martins, Isabel M.

Santos, Mário J. G.

Repositório do LNEG

AVALIAÇÃO ESTRUCTURAL DO AÇO RÁPIDO M3/2 SINTERIZADO ATRAVÉS DA TECNOLOGIA DMLS  1,aLuís Esperto, 2,bIsabel Maria Martins, 1,cMário Santos 1 Unidade de Tecnologias de Produção e 2 Unidade de Engenharia de Materiais do Departamento de Materiais e Tecnologias de Produção do Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação Edifício C, Estrada do Paço do Lumiar, 1949-038 Lisboa, Portugal aluis.esperto@ineti.pt,  bisabel.martins@ineti.pt,, cmario.santos@ineti.pt  RESUMO O estudo da sinterização do pó de aço rápido M3/2 pela tecnologia DMLS baseou-se na utilização de diferentes parâmetros de processo e na optimização da respectiva distribuição granulométrica e densidade aparente. O material foi sinterizado em linha, área e volume utilizando uma distância entre linhas de varrimento constante (0.30mm), três velocidades de varrimento do laser (50, 150, 250mm/s) e duas potências de laser (154 and 180W). O aço rápido M3/2 foi utilizado tal qual e com diferentes adições de uma fracção fina do mesmo material de modo a aumentar a densidade aparente.  1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos têm sido efectuados diversos trabalhos de investigação e desenvolvimento de novos materiais para este processo. O aço rápido M2 atomizado com gás foi sinterizado através da tecnologia DMLS. Com baixas velocidades de varrimento formaram-se fissuras acentuadas e delaminação entre camadas, enquanto que nas velocidades mais elevadas a tendência para a formação de “balling” aumentou [1]. A Sinterização Selectiva por Laser do aço rápido M2 atomizado com gás produziu superfícies homogéneas e densas devido à elevada densidade aparente do pó, forma esférica das partículas e reduzido teor de oxigénio [2]. O aço rápido M2 atomizado com gás processado pela tecnologia SLS produziu superfícies cuja morfologia variou entre porosidade aberta e uma densificação completa à medida que a potência do laser aumentou. Em amostras completamente densas obteve-se uma baixa rugosidade superficial com grande espaçamento entre linhas de varrimento. O pó tal qual e o que foi sujeito a separação granulométrica comportou-se melhor na sinterização em comparação com as fracções mais finas devido ao teor de oxigénio [3]. Os autores estudaram a sinterização do aço rápido M3/2 com adições de Cu3P (20%wt.) e grafite (0.25%wt.) através da tecnologia DMLS. Obtiveram-se superfícies sinterizadas contínuas e uma microestrutura fina com uma distribuição uniforme de cobre [4].  2. PREPARAÇÃO DOS PÓS O aço rápido M3/2 comercial produzido por atomização com água foi moído á temperatura ambiente num moinho planetário durante cerca de 11h. O M3/2 foi igualmente sujeito a separação granulométrica de modo a obter-se a fracção <63µm. Esta fracção e o material moído (10 e 30%wt.) foram misturados num misturador Turbula durante meia hora.  Tabela 1: Distribuição granulométrica e densidade aparente dos materiais ensaiados. Material Densidade aparente  (g/cm3) Diâmetro médio D50(µm) M3/2 comercial 2.53±0.02 62.16 M3/2 < 63µm 2.43±0.02 42.42 M3/2 moído 3.25±0.01 26.91 Mistura <63µm/ moído (90/10) 2.43±0.02 44.19 Mistura <63µm/ moído (70/30) 2.61±0.02 42.29 DirectSteel 50 3.20 ± 0.20 35.17   1A distribuição granulométrica foi obtida num equipamento CILAS 1064, enquanto que a densidade aparente foi determinada através do funil de Carney de acordo com a norma Metal Powder Industries Federation standard MPIF 28. Os valores obtidos para o material moído e para as misturas são semelhantes às do DirectSteel 50, particularmente no primeiro caso (Tabela 1).  3. EXPERIMENTAÇÃO 3.1. Sinterização por laser O processo de construção de peças através da tecnologia DMLS tem início em ficheiros stl com a respectiva informação geométrica, gerados em sistemas CAD 3D. Esta informação é convertida em ficheiros de camadas com o formato sli através de software apropriado e em seguida transferida para a máquina de sinterização. O pó é espalhado pelo distribuidor de pó na superfície da uma placa de aço associada à plataforma de construção (250X250mm), formando camadas com espessura uniforme (20-60μm). O laser de CO2 (240W) efectua em seguida o varrimento da área correspondente a cada camada (secção XY) da peça, promovendo a fusão do material e a sua ligação metalúrgica à placa de aço se for a primeira camada, ou a uma camada de pó previamente sinterizada. Após o varrimento da área a densificar, a plataforma de construção move-se para baixo o correspondente a uma camada, criando as condições para que nova camada de pó seja espalhada e sinterizada. Esta sequência de operações repete-se até que a construção esteja concluída (Figura 1). O processo de sinterização decorre sob a protecção de uma atmosfera de azoto de modo a minimizar a oxidação dos materiais e a plataforma de construção é aquecida (80ºC) com o objectivo de atenuar as tensões residuais geradas durante a solidificação. Foram efectuados ensaios de sinterização do aço M3/2 comercial em linha, área e volume. Os ensaios em linha (15mm) permitiram verificar a possibilidade de se formarem cordões contínuos de material sinterizado.  FerramentaPlataforma dealimentaçãoLaser de CO2Cabeça de varrimentoRaspadorCilindro derecuperaçãode PóPlataforma de construção  Figura 1 – Esquema da máquina EOSINT M250.  Os ensaios em área (15x15mm) permitiram verificar o grau de densificação do material. Em ambas as situações foram sinterizadas quatro camadas com 60µm com varrimentos na direcção X. Foram igualmente efectuados ensaios de sinterização em volume (15x15x15mm). Os parâmetros de processo utilizados encontram-se na Tabela 2.  Tabela 2: Parâmetros do processo DMLS. Potência do laser (W): 154 e 180 Velocidade de varrimento (mm/s): 50, 150 e 250 Distância entre linhas de varrimento (mm): 0.30 Espessura de camada (μm): 60  Os pós modificados foram sinterizados em área utilizando os mesmos parâmetros. Cada camada, num total de quatro, foi sinterizada com varrimentos nas direcções X e Y.  3.2.  Analise do material sinterizado A topografia, microestrutura e integridade estrutural do material sinterizado foram analisados num microscópio electrónico de varrimento Philips XL30 FEG equipado com uma microsonda EDS de Raios X para análise química. A avaliação microestrutural foi efectuada num microscópio óptico. Para o efeito, as amostras (secções paralelas e perpendiculares à direcção de construção) foram cortadas, montadas, polidas e contrastadas com 5% de nital.    24. RESULTADOS 4.1.  Sinterizado do M3/2  A sinterização em linha com 180W de potência do laser e 50mm/s de velocidade de varrimento forneceu o melhor resultado, ou seja um cordão contínuo e uniforme de material sinterizado com marcas que coincidem com a direcção do movimento do laser (Figura 2).    Figura 2: Cordão contínuo obtido com 180W de potência do laser e 50mm/s de velocidade de varrimento (12 e 40X).   A construção em volume (15x15x5mm) originou amostras com níveis de porosidade tendencialmente crescentes com a velocidade de varrimento do laser. A Figura 3 mostra a superfície com morfologia colunar e porosidade do cubo sinterizado com os parâmetros anteriormente referidos. Este material apresenta uma microestrutura muita fina típica de um processo de solidificação rápida (Figura 3).    Figura 3: Topografia colunar e espaços abertos; estrutura dendrítica (MEV).  4.2.  Sinterizado do M3/2 modificado A superfície sinterizada com 180W de potência do laser e 50mm/s de velocidade de varrimento da mistura da fracção <63µm com 10wt.% de finos apresentou-se praticamente preenchida e com pequenos aglomerados (Figura 4 esq.). O M3/2 moído sinterizado com os parâmetros anteriormente referidos apresentou uma superfície com maior continuidade, menos espaços abertos e aglomerados, devido provavelmente ao facto de a distribuição granulométrica e a densidade aparente serem equivalentes aos do DirectSteel 50 (Figura 4 dir.).    Figura 4: Superfície sinterizada (40x): mistura com 10% de finos (esq.); M3/2 moído (dir.).  A construção em volume utilizando o material moído não foi bem sucedida porque a altura do material sinterizado ultrapassou a espessura de camada provocando a interrupção do processo.  5. CONCLUSÕES  O aço M3/2 foi sinterizado em volume utilizando varrimentos na direcção X. A densidade mais elevada foi obtida com 180W de potência do laser e 50mm/s de velocidade de varrimento.   A densidade aparente e a distribuição granulométrica do M3/2 comercial foram ajustados às do DirectSteel50.  A sinterização das misturas segundo as direcções X e Y produziu superfícies mais irregulares do que as obtidas com o material comercial.  6. - REFERÊNCIAS [1]  Simchi, A., Asgharzadeh, H.: Densification and microstructural evaluation during laser sintering of M2 high speed steel powder. Materials Science and Technology 20 (11), p. 1462-1468 (2004). [2]  Niu, H. J., Chang, I.T.H.: Selective laser sintering of gas and water atomized high speed steel powders. Scripta Materialia 41 (1), p. 25-30 (1999). [3]  Niu, H. J., Chang, I.T.H.: Selective laser sintering of gas atomized M2 high speed steel powder. Journal of Materials Science 35, p. 31-38 (2000). [4]  Martins, I., Esperto, L., Santos, M.: Sintering M3/2 high speed steel powder by DMLS process. Materials Science Forum 514-516, p. 1506-1510 (2006).   3

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