Avanços em Bimetálico

As capacidades de deposição bimetálica são frequentemente apontadas como a principal razão para o uso da deposição de energia dirigida (DED) em vários setores. A combinação de vários materiais em uma peça sólida abre a possibilidade de melhorar o desempenho escolhendo intencionalmente as propriedades do material de acordo com as propriedades de desempenho exigidas em diferentes áreas da peça de trabalho. Este benefício é acelerado quanto mais diferentes forem os metais combinados e mais as propriedades da peça puderem ser modificadas.

Historicamente, o uso de cobre em DED tem sido limitado devido à sua natureza reflexiva. Novas estratégias de processo permitiram a adoção antecipada de revestimento em componentes de cobre. No entanto, geometrias mais complexas e o elevado custo do material de cobre tornam desejável depositar cobre também. Avanços recentes na indústria de laser tornam possível a utilização de lasers azuis em máquinas DED que permitem a deposição de ligas de cobre mais avançadas, bem como de cobre puro.

Usando lasers infravermelhos (IR = 1.040 nm), o coeficiente de absorção do cobre puro é de apenas cerca de 2%. Portanto, têm sido utilizadas ligas de cobre que aumentam a absorção, como CuAl10, CuSn8, CU18150, entre outras. Ainda assim, a absorção é bem inferior à dos aços mais comumente usados ​​e, portanto, os lasers de alta potência acima de 3.000 W são bem utilizados em tais aplicações. Além disso, o pré-aquecimento do substrato de cobre e estratégias avançadas de revestimento que utilizam ângulos de deposição mais eficazes tiveram sucesso nos últimos anos.

As aplicações típicas concentram-se no revestimento de Inconel em um substrato de cobre em várias aplicações espaciais - mais comumente em bicos de foguete. Por exemplo, a Figura 1 mostra a configuração de um revestimento de cobre feito em CU18150 em um sistema de fusão em leito de pó a laser (LPBF) (LASERTEC 30 DUAL SLM da DMG Mori) fixado no fuso principal do eixo giratório de cinco eixos. moinho máquina híbrida LASERTEC 3000 DED. O revestimento de cobre no CU18150 foi construído usando um laser de 1.000 W no sistema LPBF e canais de resfriamento abertos foram adicionados ao redor do diâmetro externo. Um laser de 3.000 W foi usado na máquina híbrida-DED para depositar Inconel 625 ao redor da circunferência e fechar os canais de refrigeração de acordo. A reflexão do revestimento de cobre é um desafio no estabelecimento de um processo estável que leve à ligação adequada do material.

Com a estratégia de deposição correta e um percurso de ferramenta avançado criado em um programa CAM de cinco eixos, como o Siemens NX, resultados bem-sucedidos podem ser alcançados conforme mostrado na Figura 2. Uma camada consistente de Inconel é aplicada ao redor da circunferência e a análise microestrutural mostra uma boa ligação entre o substrato de cobre e a camada de Inconel.

Ao usar uma combinação de um sistema LPBF e um sistema DED, o tamanho de tais componentes é restrito a tamanhos de envelope típicos de um pé cúbico, ou ligeiramente maiores em desenvolvimentos de máquinas mais recentes. Para atender aos requisitos da indústria espacial, é desejável utilizar todo o envelope de máquinas híbridas DED que abrangem diâmetros de até 1.250 mm e comprimentos de peças de até 6.000 mm entre fusos. Consequentemente, um sistema DED que possa depositar cobre e, portanto, construir o revestimento de cobre no mesmo envelope apresenta uma tremenda oportunidade para componentes espaciais mais avançados com benefícios económicos muito atraentes.

Desenvolvimentos recentes na indústria de laser fornecem lasers de diodo com maior potência de laser em faixas de comprimento de onda alternativas. Em particular, os lasers de luz verde e azul no espectro de luz visível só recentemente se tornaram economicamente viáveis. A Figura 3 mostra a vantagem de usar lasers de luz azul em um espectro de comprimento de onda de 450 nm em comparação com os lasers IR variando entre 900 e 1.070 nm. Os lasers azuis (450 nm) mostram avanços adicionais em relação aos lasers verdes (515 nm). A absorção de energia é melhorada para todos os metais, com os ganhos mais significativos obtidos com o cobre.

Uma comparação dos elementos básicos ferro, níquel e cobre mostra melhor absorção. O cobre dificilmente absorve qualquer luz no espectro IR e salta para o mesmo nível de absorção que o níquel e o ferro no espectro de comprimento de onda azul. Além disso, o níquel absorve luz com eficiência 19% maior na faixa do laser azul. Como resultado, a deposição de cobre puro e ligas de cobre de baixa liga, como CU18150, torna-se viável no processo DED.