BR112019008959B1 - Ligas de metal de ferro duro imprimíveis em 3d para a fusão em leito de pó - Google Patents

Ligas de metal de ferro duro imprimíveis em 3d para a fusão em leito de pó Download PDF

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Harald Lemke
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Abstract

A presente invenção refere-se a composições de liga para procedimentos de impressão de metal em 3D que proporcionam peças metálicas com alta dureza, resistência à tração, limite de escoamento e alongamento. As ligas incluem Fe, Cr e Mo e, pelo menos, três ou mais elementos selecionados a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N. As peças construídas indicam uma resistência à tração de, pelo menos, 1000 MPa, limite de escoamento de pelo menos 640 MPa, alongamento de pelo menos 3,0% e dureza (HV) de pelo menos 375.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisional U.S. de N° 62/415.667, depositado em 1 de Novembro de 2016, que é totalmente aqui incorporado por referência.
CAMPO
[002] A presente divulgação refere-se a composições de liga e procedimentos de impressão em 3D para proporcionar a formação de peças metálicas com dureza relativamente alta, resistências à tração, limite de escoamento e alongamento. As ligas também indicam a capacidade de formar fases desejáveis, tais como as fases de carboneto de metal e/ou carbonitreto de metal, que contribuem para essas características de propriedades mecânicas.
FUNDAMENTO
[003] Os processos de impressão em 3D em metal proporcionam uma infinidade de benefícios excepcionais, tal como a capacidade de produzir peças altamente complexas com tempo de produção de peças amplamente reduzido. Por esses motivos, a impressão em 3D é de alto valor para muitas indústrias. Embora existam muitos processos de impressão em 3D para a construção de peças de metal, os processos mais amplamente adotados são aqueles que utilizam transformações de fase sólido-líquido-sólido para construir peças. Estes processos são vulgarmente designados por fusão em leito de pó (PBF), fusão por laser seletiva (SLM), e fusão por feixe de elétron (EBM), a seguir estes processos são referidos a como PBF.
[004] Embora a PBF seja excepcionalmente versátil em sua capacidade para produzir peças complexas a partir de ligas de metal específicas, o processo tem se limitado a produzir peças a partir de relativamente poucos aços de liga, tais como o 316L, o 17-4PH e o aço martensítico M300. Entre essas ligas, apenas o M300 possui uma dureza que é considerada suficiente para classificar a liga como uma liga dura (HV> 370).
[005] Expandir a largura de material de ligas de aço duro de PBF tem atendido a uma variedade de questões entre as quais a ocorrência de formação de fendas mediante ou após o processo de impressão. O craqueamento de peças pode ser causado por um número de fatores, tais como tensões térmicas, craqueamento quente e craqueamento de líquidos, e geralmente o potencial para craqueamento aumenta à medida que a dureza das peças construídas aumenta e a tenacidade diminui.
[006] Várias indústrias têm um grande interesse em utilizar a PBF com materiais de dureza mais altos (HV> 370) para aplicações, tais como ferramentas, matrizes, moldes, ferramentas de corte, engrenagens, filtros e rolamentos. Além da alta dureza, essas aplicações tipicamente também exigem alta resistência, tenacidade e resistência à corrosão, baixa saúde ambiental, baixo risco de segurança e manejo e baixo custo.
SUMÁRIO
[007] Um método de construção de camada por camada de uma peça metálica compreendendo o fornecimento de uma liga à base de ferro na forma de partículas incluindo os elementos de Cr e Mo, em que Cr está presente em 10,0% em peso a 19,0% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 3,0% em peso e, pelo menos, três elementos a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N, em que C está presente em 0 a 0,35% em peso, Ni está presente em 0 a 4,0% em peso, Cu está presente em 0 a 5,0% em peso, Nb está presente em 0 a 1,0% em peso, Si está presente em 0 a 1,0% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso; o equilíbrio da referida composição de liga contendo Fe; e formando uma ou mais camadas da liga fundindo a liga em um estado fundido e arrefecendo e formando uma camada solidificada dos elementos, em que cada uma das camadas sólidas tem uma espessura como formada de 2,0 microns a 200,0 microns. A peça metálica compreendendo uma ou mais camadas tem as seguintes propriedades: resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, limite de escoamento de pelo menos 640 MPa, alongamento de pelo menos 3,0%, dureza (HV) de pelo menos 375.
[008] A presente invenção também refere-se a uma peça metálica impressa em 3D compreendendo uma ou mais camadas de liga de metal à base de ferro, incluindo os elementos de Cr e Mo, em que Cr está presente em 10,0% em peso a 19,0% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 3,0% em peso e, pelo menos, três elementos de C, Ni, Cu, Nb, Si e N, em que C está presente em 0 a 0,35% em peso, Ni está presente em 0 a 5,0% em peso, Cu está presente em 0 a 5,0% em peso, Nb está presente em 0 a 1,0% em peso, Si está presente em 0 a 1,0% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso e o equilíbrio da referida composição de liga contém Fe; as referidas camadas tendo uma espessura na faixa de 2,0 microns a 200,0 microns; e a referida peça metálica impressa indica uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, limite de escoamento de pelo menos 640 MPa, alongamento de pelo menos 3,0% e dureza (HV) de pelo menos 375.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[009] Figura 1 é uma imagem óptica da liga 1 (A10) construída em uma máquina SLM 280 HL.
[0010] Figura 2 é uma imagem óptica da liga 1 (A10) construída em uma máquina Trumpf TRUMAFORM LF 250 PBF.
[0011] Figura 3 é uma imagem óptica da liga 1 (A10) construída em uma máquina EOS com uma densidade > 99,5%.
[0012] Figura 4 mostra uma micrografia de 10.000x SEM da liga como construída 1 (A10).
[0013] Figura 5 mostra o diagrama de fase de equilíbrio da liga 1 produzido com Thermo-Calc.
[0014] Figura 6 mostra microestruturas na superfície de uma peça feita de liga 5 (Tabela 1) em duas ampliações diferentes após a carburação.
[0015] Figura 7 mostra a dureza como uma função da profundidade em uma liga endurecida cementada 5 e liga 8 (Tabela 1).
[0016] Figura 8 mostra microestruturas na superfície de uma peça da liga 9 (Tabela 1) em duas ampliações diferentes após a nitretação.
[0017] Figura 9 mostra a dureza como uma função da profundidade em uma liga endurecida nitretada 8 e 9 (Tabela 1).
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0018] Foi desenvolvida uma nova classe de ligas de aço que combina excelente capacidade de impressão com, tanto no estado “como construído” quanto no estado “tratado termicamente”, alta dureza (> 375 HV), alto rendimento e resistência à tração, além de alto alongamento bem como baixa segurança (EH&S) e risco de manejo e custo relativamente baixo.
[0019] A capacidade de impressão de uma liga é definida como a facilidade de imprimir uma liga de metal em uma variedade de máquinas de PBF comerciais, sem craqueamento ou porosidade excessiva nas peças construídas. A condição como construída aqui compreendida como a condição das peças construídas de PBF mediante remoção a partir da máquina de PBF, isto é, sem qualquer tratamento térmico pós-construção. A condição tratada termicamente é entendida aqui como a condição das peças construídas de PBF que foram submetidas a um tratamento térmico pós-construção. As ligas aqui são capazes de impressão em 3D, as quais referem-se a um processo para criar um objeto tridimensional.
[0020] A Tabela 1 abaixo apresenta as químicas das ligas que são, de preferência, empregadas aqui, o que inclui liga 1 (A10) e, em seguida, 10 ligas adicionais para um total de 11 ligas:
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[0021] Desta maneira, pode ser apreciado a partir do acima exposto que se fornece uma liga de metal na forma de partículas compreendendo, consistindo essencialmente em, ou consistindo em Fe, Cr e Mo, em que Cr está presente em 10,0% em peso a 19,0% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 3,0% em peso e, pelo menos, três ou mais elementos de C, Ni, Cu, Nb, Si e N, em que C está presente em 0 a 0,35% em peso, Ni está presente em 0 a 5,0% em peso, Cu está presente em 0 a 5,0% em peso, Nb está presente em 0 a 1,0% em peso, Si está presente em 0 a 1,0% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso. O equilíbrio da referida composição de liga contém Fe. Desta maneira, pode-se selecionar quatro elementos, cinco elementos ou todos os seis elementos a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N para uma determinada formulação de liga.
[0022] Em uma modalidade preferida, é fornecido novamente uma liga de metal em forma de partícula compreendendo, consistindo essencialmente em, ou consistindo em Fe, Cr e Mo, em que Cr está presente em 10,0% em peso a 18,3% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 2,5% em peso e, pelo menos, três ou mais elementos a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N, em que C está presente em 0 a 0,30% em peso, Ni está presente em 0 a 4,0% em peso, Cu está presente em 0 a 4,0% em peso, Nb está presente em 0 a 0,7% em peso, Si está presente em 0 a 0,7% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso. O equilíbrio da referida composição de liga contém Fe.
[0023] Além disso, a liga pode incluir alguma quantidade de impurezas inevitáveis, em que o nível de tais impurezas pode ser de até 1,0% em peso. Por exemplo, um elemento não listado acima também pode estar presente em um nível de até 1,0% em peso, onde o nível correspondente de Fe pode ser reduzido em 1,0% em peso. No que diz respeito às impurezas, é de notar que tal é contemplado para incluir elementos tais como enxofre, fósforo e oxigênio.
[0024] A liga 1, que foi anteriormente designada como liga A10, pode ela própria ter a seguinte composição preferida: Fe em 82,0 a 86,0% em peso; Cr em 10,5 a 12,0% em peso; Ni em 1,5 a 2,5% em peso; Cu em 0,4 a 0,7% em peso; Mo em 1,2 a 1,8% em peso, C em 0,14 a 0,18% em peso, Nb em 0,02 a 0,05% em peso, N em 0,04 a 0,07% em peso e Si em 0 - 1,0% em peso.
[0025] A liga de metal é fornecida ao processo de PBF na forma de partículas ou arame de pó e é, de preferência, produzida usando fusão convencional com gás, gases utilizando centrífuga, atomização tal como gás de nitrogênio ou argônio, ou atomização com água. A fusão do gás de nitrogênio e a atomização podem ser usadas para aumentar o teor de nitrogênio na liga de pó. As partículas de pó podem ter um diâmetro na faixa de 1 a 200 microns, mais de preferência, de 3 a 70 microns, e mais de preferência, de 15 a 53 microns.
[0026] As peças de PBF são, de preferência, construídas a partir da liga de metal aqui utilizada utilizando máquinas de PBF convencionais comercialmente disponíveis tais como o SLM®280HL ou EOS M-280 e um Trumpf TRUMAFORM LF 250. As peças são, de preferência, construídas em uma atmosfera de nitrogênio ou argônio. As peças podem ser construídas sobre um substrato de metal que é preaquecido até 300°C, tal como na faixa de 100°C a 300°C, e mais de preferência, na faixa de 20°C a 200°C. Além disso, nenhum preaquecimento do substrato pode ser empregado. Para o procedimento de PBF, pode-se utilizar um ou vários lasers ou feixes de elétrons com uma densidade de energia de 30 a 500 J/m3, mais de preferência, na faixa de 50 J/mm3 a 300 J/m3 e mais de preferência, na faixa de 60 J/mm3 a 200 J/mm3.
[0027] O substrato de metal é, de preferência, composto das ligas 1-11 na Tabela 1 ou de outros materiais, por exemplo, do tipo 304L de aço inoxidável. O procedimento de PBF aqui contempla um acúmulo de camadas individuais, cada uma tendo uma espessura tipicamente na faixa de 2,0 microns a 200,0 microns, mais de preferência, de 5,0 microns a 150,0 microns, e mais de preferência, de 5,0 microns a 120,0 microns. Desta maneira, uma faixa adequada de espessura para as camadas construídas é de 2,0 microns e superior. Mais comumente, no entanto, a faixa de espessura para as camadas construídas (combinação de camadas individuais) é de 2 microns a 800 mm e ainda maior, dependendo da capacidade ou requisitos de um determinado procedimento de impressão.
[0028] Porosidade e craqueamento em peças podem afetar negativamente várias propriedades da peça, incluindo resistência, tenacidade e resistência à fadiga. Como tal, é desejável que as peças densas minimizem a porosidade e o craqueamento nas peças de PBF. A porosidade em peças é, de preferência, inferior a 1,0%, mais de preferência, inferior a 0,5%, e mais de preferência, inferior a 0,2% embora algumas peças grandes possam tolerar maiores níveis de porosidade, tal como uma porosidade superior a 1,0% a 15,0%. A baixa porosidade e nenhum craqueamento nas peças de PBF como construídas com as ligas de metal aqui apresentadas são evidenciados nas imagens de micrografia óptica de seção transversal mostradas nas FIGURAS 1-3, que foram retiradas a partir de peças construídas com a liga 1 (A10) nas máquinas SLM 280HL e Trumpf TRUMAFORM LF 250 PBF, e uma EOS M280/290, respectivamente. As peças mostradas nas FIGURAS 1-3 foram construídas sobre um substrato sem preaquecimento a uma altura de 10 mm, utilizando camadas de 0,040 mm de espessura, para um total de 250 camadas nas peças. A porosidade é medida com análises de imagem óptica a uma ampliação de 100X e a liga 1 mostra uma porosidade inferior a 0,2%.
[0029] As peças de PBF são, de preferência, tratadas termicamente após as peças serem construídas para serem capazes de obter dureza, resistência e ductilidade relativamente altas. A obtenção de alta dureza in-situ com peças de construção sem craqueamento é relativamente difícil devido às tensões térmicas e à fadiga térmica nas peças à medida que são construídas, combinadas com a tenacidade e ductilidade tipicamente baixas de ligas de alta dureza. A PBF usa uma fonte de energia para criar um poço de solda de metal fundido, pequeno, e de rápida passagem para derreter seletivamente o pó em uma camada de pó, que em seguida, se ressolidifica adicionando a próxima camada na peça. O calor do poço de solda de passagem é amplamente conduzido para a peça, o que resulta em elevar a temperatura geral da peça e fornecer gradientes de temperatura relativamente grandes na vizinhança local do poço de solda. Grandes tensões térmicas contínuas e cíclicas podem surgir nas peças durante a construção da peça de PBF devido aos gradientes térmicos e transformações de fase nas peças. Por conseguinte, as peças têm, de preferência, resistência, tenacidade e ductilidade suficientes para resistir à formação de fendas sob as condições de tensão localizadas e para resistir à propagação de fendas sob as tensões contínuas e cíclicas.
[0030] Propriedades da liga “como construídas”: A Tabela 2 mostra as propriedades mecânicas comparativas de peças de PBF produzidas com ligas de aço de PBF comerciais e liga 1 (A10) a partir da Tabela 1 na condição como construída (sem tratamento de pós-aquecimento). As propriedades da liga 1 (A10) foram medidas em peças que foram construídas de PBF sobre um substrato sem preaquecimento a uma altura de 10 mm, utilizando camadas de 0,040 mm de espessura, para um total de 250 camadas nas peças. A Tabela 2 mostra o aumento da dureza e resistência da liga de metal aqui presente sobre as ligas de aço sem fendas comercialmente aplicadas.
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[0031] No que diz respeito aos dados de dureza na Tabela 2, é importante notar que a dureza relatada é tal que é observada para ser uma função da composição da liga, bem como, o procedimento de impressão utilizado. Desta maneira, no caso de, por exemplo, M300, a dureza da impressão pode variar, dependendo do procedimento de impressão, de modo que a dureza HV possa estar na faixa de 320 a 370.
[0032] A Tabela 3 abaixo fornece as propriedades mecânicas para todas as ligas identificadas na Tabela 1 na condição “AB” ou como construída, sem um tratamento térmico e na condição “B1” que é referência para um tratamento térmico, cujo tratamento térmico é discutido mais aqui:
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[0033] Como pode, portanto, ser apreciado a partir do acima, as ligas aqui, na condição de como construída (sem tratamento térmico) são tais que indicam uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, mais de preferência, pelo menos 1100 MPa, ou pelo menos 1200 Mpa, e ainda mais de preferência, pelo menos 1300 MPa. Além disso, pode agora ser apreciado que a resistência à tração das ligas como construídas no presente documento caia na faixa de 1000 MPa a 1900 MPa, ou 1100 MPa a 1900 MPa, ou 1200 MPa a 1900 MPa ou 1300 MPa a 1900 MPa.
[0034] A resistência à tração acima é obtida em combinação com um limite de escoamento de pelo menos 640 MPa, ou pelo menos 700 MPa, ou pelo menos 800 MPa, ou pelo menos 900 MPa, ou pelo menos 1000 MPa, ou pelo menos 1100 MPa, ou pelo menos 1200 MPa, ou pelo menos 1300 MPa, ou pelo menos 1400 MPa ou pelo menos 1500 MPa. Além disso, pode agora ser entendido que a limite de escoamento das ligas construídas no presente documento caia na faixa de 640 MPa a 1500 MPa.
[0035] Além disso, a resistência à tração e a limite de escoamento acima referidas são também, de preferência, alcançadas em combinação com um alongamento de pelo menos 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, etc. até 25%. Além disso, pode ser apreciado que o alongamento das ligas construídas aqui caia na faixa de 3% a 25%.
[0036] A resistência à tração, limite de escoamento e alongamento acima são, em seguida, de preferência, alcançadas em combinação com um valor de dureza (HV) de pelo menos 375, 400, 410, 420, 430, 440, etc. até 600. Além disso, pode ser apreciado que os valores de HV das ligas aqui caiam na faixa de 375 a 600.
[0037] Desta maneira, deve ser apreciado que as ligas aqui são tais que podem proporcionar na condição como construída uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, um limite de escoamento de pelo menos 640 MPa e alongamento de pelo menos 3% e um valor de dureza (HV) de pelo menos 375. Outras combinações de resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e dureza podem agora ser selecionadas a partir dos níveis individuais preferidos de resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e dureza aqui indicados para a liga não tratada termicamente.
[0038] A figura 4 mostra uma micrografia de 10.000X, elétrons secundários, microscopia de elétron de varrimento (SEM) de uma peça de liga 1 (A10) produzida por PBF, como construída. A peça mostrada na figura 4 foi construída sobre um substrato sem preaquecimento a uma altura de 10 mm, usando camadas de 0,040 mm de espessura, para um total de 250 camadas nas peças. A imagem de SEM foi realizada em uma SEM de Emissão de Campo Jeol JSM-7001F. A microestrutura na Figura 4 está contemplada para conter o BCC/martensita, FCC, M2CN e M7C3.
[0039] Figura 5 mostra o diagrama de fase de equilíbrio da liga 1 (A10) produzido com Thermo-Calc mostrando a fração de fase de cada fase que é termodinamicamente estável ao longo de uma faixa de temperatura de 20°C a 1500°C. O diagrama de fase de equilíbrio foi utilizado para identificar as fases com maior potencial para contribuir para o aumento da dureza e resistência.
[0040] Considera-se que a temperatura elevada das peças de PBF durante a construção, que é causada pela transferência térmica para a peça a partir do poço de solda atravessado, pode ser suficientemente alta nas ligas de metal aqui para conduzir a precipitação in-situ de fases secundárias tais como Fase FCC rica em Cu, a fase M2N((Cr,Mo)2N) e a fase M23C6((Cr,Fe,Mo)23C6) mostradas no diagrama de fase da Figura 5 para a liga 1 (A10). Espera-se que a precipitação in-situ dessas fases durante a construção da peça contribua para a resistência e a dureza da peça na condição como construída.
[0041] “Tratamento Térmico”: As peças de PBF produzidas com as ligas de metal da presente invenção podem ser reforçadas por tratamento térmico para aumentar a resistência e a dureza das peças. É contemplado que vários tratamentos térmicos podem ser realizados para afetar as propriedades da peça e as temperaturas de tratamento térmico podem ser selecionadas a partir de diagramas de fase de equilíbrio.
[0042] Tratamentos térmicos eficazes para as ligas de metal no presente documento são contemplados para incluir (1) solução em alta temperatura (dissolvendo uma ou mais das fases secundárias), resfriamento e preparação (precipitação das fases secundárias) e/ou (2) preparação das peças como construídas, com cada etapa de tratamento térmico sendo realizada em uma atmosfera de vácuo, argônio ou nitrogênio. A solubilização é, de preferência, realizada a uma temperatura superior a 900°C e, por exemplo, na faixa de 900°C a 1400°C e a preparação é, de preferência, realizada a uma temperatura na faixa de 150-900°C. (1) A etapa de solução e resfriamento em alta temperatura é contemplada para: a. reduzir a anisotropia na peça que pode resultar a partir do processo de PBF, b. aumentar o teor de martensita e, portanto, dureza e, possivelmente, força, c. dissolver carbonetos de Cr e/ou nitretos de Cr que possam afetar negativamente a resistência à corrosão da peça, d. endurecer os carbonetos e/ou nitretos não dissolvidos. (2) O fortalecimento e o endurecimento adicionais da peça através de precipitação adicional de várias fases são contemplados para serem iniciados por tratamentos de preparação subsequentes.
[0043] Procedimento de "Tratamento Térmico": O diagrama de fase de equilíbrio na Figura 5 foi usado para selecionar as temperaturas de solubilização e preparação para as peças de PBF da liga 1 (A10). O tratamento térmico usado nas peças de PBF da liga 1 (A10) consistiu em solução a 1000°C durante 1,5 horas seguido por um resfriamento de gás a -84°C durante 2 horas e, finalmente, preparação a 454°C durante 48 horas em argônio para fortalecer e endurecer a peça.
[0044] Propriedades de liga “tratadas termicamente”: As propriedades das peças de PBF da liga 1 (A10) tratadas termicamente são mostradas na Tabela 4 juntamente com as ligas de aço de PBF comerciais após submetê-las aos tratamentos térmicos prescritos pelo fabricante para peças de PBF. As propriedades das ligas tratadas termicamente 1, 4, 5, 6, 7, 9, 0, 10 e 11 também foram listadas na Tabela 3. As propriedades da liga 1 (A10) foram medidas em peças tratadas termicamente que foram construídas sobre um substrato com PBF sem preaquecimento a uma altura de 10 mm, usando camadas de 0,040 mm de espessura, para um total de 250 camadas nas peças. A dureza da liga 1 (A10) mostrada na Tabela 4 foi realizada na superfície da peça tratada termicamente.
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[0045] Como pode assim ser apreciado a partir das Tabelas 3 e 4, as ligas aqui apresentadas a seguir ao tratamento térmico são tais que indicam uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, ou pelo menos 1100 MPa, ou pelo menos 1200 MPa, ou pelo menos 1300 MPa, ou pelo menos 1400 MPa, ou pelo menos 1500 MPa, ou pelo menos 1600 MPa, ou pelo menos 1700 MPa, ou pelo menos 1800 MPa. Além disso, pode ser apreciado que as ligas tratadas termicamente têm uma resistência à tração na faixa de 1000 MPa a 1900 MPa.
[0046] Esta resistência à tração é obtida em combinação com um limite de escoamento de pelo menos 900 MPa, ou pelo menos ou pelo menos 1000 MPa, ou pelo menos 1100 MPa, ou pelo menos 1200 MPa, ou pelo menos 1300 MPa, ou pelo menos 1400 MPa, ou pelo menos 1500 MPa, ou pelo menos 1600 MPa. Além disso, pode ser apreciado que as ligas tratadas termicamente aqui têm um limite de escoamento na faixa de 900 MPa a 1600 MPa.
[0047] Esta resistência à tração e limite de escoamento são também, de preferência, alcançadas em combinação com um alongamento de, pelo menos, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, etc. até 16%. Além disso, pode ser apreciado que as ligas tratadas termicamente têm valores de alongamento na faixa de 1% a 16%.
[0048] Tal resistência à tração, limite de escoamento e alongamento são, em seguida de preferência, alcançados em combinação com um valor de dureza (HV) de pelo menos 475, ou pelo menos 500, ou pelo menos 525, ou pelo menos 550, ou pelo menos 600. Além disso, pode ser apreciado que as ligas tratadas termicamente aqui têm valores de HV na faixa de 475 a 650.
[0049] Desta maneira, deve ser apreciado que as ligas aqui com tratamento térmico são tais que podem proporcionar, por exemplo, uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, um limite de escoamento de pelo menos 900 MPa, e alongamento de pelo menos 1% e um valor de dureza (HV) de pelo menos 475. Outras combinações de resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e dureza podem agora ser selecionadas a partir de níveis preferidos individuais de resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e dureza aqui indicados para a liga tratada termicamente.
[0050] A Tabela 4 mostra que o tratamento térmico não eleva a dureza de 316L e 17-4PH a um nível que qualquer uma das ligas possa ser classificada como uma liga dura (HV > 370). Apenas o valor de dureza de M-300 após o tratamento térmico classifica a liga como uma liga dura (HV > 370) e M300 é atualmente a principal escolha de liga na fabricação aditiva quando uma liga dura é necessária. No entanto, o espaço de aplicação de M-300 é altamente limitado desde as características de M300 a tais níveis de dureza que indicam apenas um baixo alongamento (2%), indicando uma tendência para peças fraturarem ou sofrerem lascagem quando expostas a uma pequena força de impacto, tal como a queda da peça para o chão. Portanto, a aplicação de M300 encontra uso industrial relativamente limitado.
[0051] Além disso, a liga M300 contém uma concentração significativa de elementos de custo relativamente altos (18% em peso de Ni, 9% em peso de Co e 5% em peso de Mo) e como tal não seria considerada uma liga de baixo custo limitando ainda mais seu uso industrial. Finalmente, o uso industrial de M-300 é ainda mais limitado devido ao seu potencial EH&S e riscos de uso racional do produto, devido ao seu alto teor de cobalto. Cobalto é conhecido por ser um risco para a saúde após a inalação e um risco de uso racional devido a sua classificação como um mineral de conflito, uma vez que é principalmente originário da República do Congo.
[0052] Em contraste, a liga tratada termicamente 1 (A10) apresenta inúmeros benefícios em comparação com a atual M300. A liga 1 (A10) tem uma maior dureza, um maior alongamento, uma estrutura de menor custo e é, de preferência, livre de cobalto.
[0053] Tratamento de endurecimento - A dureza da superfície das peças de PBF produzidas com as ligas de metal aqui pode ser melhorada ainda mais por tratamentos de endurecimento de carburação e nitretação. Esses tratamentos introduzem carbono e nitrogênio, respectivamente, na superfície da peça, criando uma camada de proteção com dureza aumentada em relação às condições “como construídas” ou “tratadas termicamente”, enquanto retém as propriedades tratadas termicamente no núcleo. É contemplado que outros tratamentos empregados para o endurecimento, tal como a carbonitretação, também possam ser usados.
[0054] Carburação - O processo de carburação para as ligas de metal aqui inclui, de preferência, uma combinação das seguintes etapas: redução de óxido, carburação, solução, resfriamento e preparação. A redução de óxido é realizada em uma atmosfera redutora a temperaturas, de preferência, entre 800°C e 1200°C, mais de preferência, entre 900°C e 1150°C, e mais de preferência, entre 950°C e 1100°C. A carburação é realizada por um método que fornece ou gera uma fonte de carbono na atmosfera ou ambiente que circunda a peça, tais como embalagem, gás, vácuo, líquido e carburação de plasma, a temperaturas de preferência, entre 800°C e 1000°C, mais de preferência, entre 850°C e 975°C, e mais de preferência, entre 875°C e 950°C.
[0055] A carburação resulta em um enriquecimento de carbono na superfície da peça resultando em uma camada de material com uma microestrutura diferente comparada com a do núcleo, como se vê em duas ampliações diferentes na Figura 6 para a liga 5. Esta estrutura resulta em uma dureza máxima na superfície exterior que é, de preferência, de 650 a 1000 HV, mais de preferência, de 700 a 975 HV, e mais de preferência, de 800 a 950 HV. A dureza, em seguida, diminui progressivamente com o aumento da distância a partir da superfície exterior (isto é, a profundidade na peça) até atingir um valor de estado estacionário no núcleo similar aos valores tratados termicamente aqui discutidos. Exemplos representativos da dureza como uma função da profundidade em ligas endurecidas cementadas 5 e 8 são vistos na Figura 7. Outras ligas listadas aqui podem similarmente cementar por um processo de carburação com eficácia similar. O nível de carbono pode ser aumentado na superfície até uma profundidade de, pelo menos, 2,0 mm e até 4,0 mm.
[0056] Nitretação - O processo de nitretação para as ligas de metal inclui uma combinação das seguintes etapas: solução, resfriamento e preparação. Considera-se que o nitrogênio pode ser introduzido na superfície da peça por outros métodos de nitretação, incluindo processos de nitretação a plasma e líquido. O enriquecimento de nitrogênio na superfície da peça resulta em uma camada de material com uma microestrutura diferente comparada com a do núcleo, como observado em duas magnificações diferentes para a liga 9 (Tabela 1) que são ilustradas na Figura 8. Esta estrutura resulta em uma dureza máxima na superfície exterior que é, de preferência, de 700 a 1300 HV, mais de preferência, de 750 a 1250 HV, e mais de preferência, de 825 a 1225 HV. A dureza, em seguida, diminui progressivamente com o aumento da distância a partir da superfície exterior (isto é, a profundidade na peça) até atingir um valor de estado estacionário no núcleo similar aos valores tratados termicamente aqui discutidos. Exemplos representativos da dureza como uma função da profundidade em ligas cementadas nitretadas 8 e 9 são vistos na Figura 9. Como pode ser visto, o nível de nitrogênio é aumentado a partir da superfície até uma profundidade de, pelo menos, 200 μm e até 400 μm. Outras ligas listadas aqui podem similarmente ser endurecidas por um processo de nitretação com eficácia similar.

Claims (22)

1. Método de construção de camada por camada de uma peça metálica, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer uma liga à base de ferro em forma de partículas, incluindo os elementos de Cr e Mo, em que Cr está presente em 10,0% em peso a 19,0% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 3,0% em peso e, pelo menos, três elementos a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N, em que C está presente de 0,1 % em peso a 0,35% em peso, Ni está presente em 0 a 5,0% em peso, Cu está presente em 0 a 5,0% em peso, Nb está presente em 0 a 1,0% em peso, Si está presente em 0 a 1,0% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso; o equilíbrio da referida composição de liga contendo Fe; e formar uma ou mais camadas da liga, pelo menos em parte por fusão em leito de pó compreendendo fundindo a liga em um estado fundido e arrefecendo e formando uma camada solidificada dos elementos, em que cada uma das camadas sólidas tem uma espessura como formada de 2,0 microns a 200,0 microns; a referida peça metálica tendo as seguintes propriedades: resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, limite de escoamento de pelo menos 640 MPa, alongamento de pelo menos 3,0%, dureza (HV) de pelo menos 375.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que Cr está presente em 10,0% em peso a 18,3% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 2,5% em peso, C está presente em 0,01% a 0,30% em peso, Ni está presente em 0 a 2,5% em peso, Cu está presente em 0 a 2,56% em peso, Nb está presente em 0 a 0,7% em peso, Si está presente em 0 a 0,7% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso, o equilíbrio de Fe.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida liga compreende Fe em 82,0% em peso a 86,0% em peso; Cr em 10,5% em peso a 12,0% em peso; Ni em 0% em peso a 2,5% em peso; Cu em 0,4% em peso a 0,7% em peso; Mo em 1,2% em peso a 1,8% em peso; C em 0,14% em peso a 0,18% em peso; Nb a 0,02% em peso a 0,05% em peso; N a 0,04 a 0,07% em peso e Si em 0 a 1,0% em peso.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida peça metálica tem as seguintes propriedades: uma resistência à tração de 1000 MPa a 1900 MPa, um limite de escoamento de 640 MPa a 1500 MPa, um alongamento de 3,0% a 25,0% e uma dureza (HV) de 375 a 600.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as referidas camadas têm uma espessura de 2,0 microns a 200 microns.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fusão é alcançada por feixes de laser ou de elétrons com uma densidade de energia na faixa de 30 J/mm3 a 500 J/mm3.
7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a peça metálica é construída em uma atmosfera de nitrogênio e/ou argônio.
8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida peça metálica é construída sobre um substrato que é preaquecido a uma temperatura inferior ou igual a 300°C.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a peça metálica passa por uma solução a uma temperatura superior a 900°C, seguida de um resfriamento e arrefecimento gasoso.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a referida peça metálica após o arrefecimento é temperada a uma temperatura igual ou superior a 150°C.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a referida liga indica uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, um limite de escoamento de pelo menos 900 MPa, um alongamento de pelo menos 1,0% e uma dureza (HV) de pelo menos 475.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida peça metálica é carburada para aumentar o nível de carbono desde a superfície até uma profundidade de 4,0 mm.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida peça metálica é nitretada para aumentar o nível de nitrogênio desde a superfície até uma profundidade de 400 μm.
14. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a liga inclui, pelo menos, quatro elementos selecionados a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N.
15. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida liga inclui, pelo menos, cinco elementos selecionados a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N.
16. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida liga inclui C, Ni, Cu, Nb, Si e N.
17. Peça metálica impressa em 3D, caracterizada pelo fato de que compreende: uma ou mais camadas de liga de metais à base de ferro, incluindo os elementos de Cr e Mo, em que Cr está presente em 10,0% em peso a 19,0% em peso, Mo está presente em 0,5% em peso a 3,0% em peso e, pelo menos, três elementos a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N, em que C está presente em 0,01% a 0,35% em peso, Ni está presente em 0 a 5,0% em peso, Cu está presente em 0 a 5,0% em peso, Nb está presente em 0 a 1,0% em peso, Si está presente em 0 a 1,0% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso e o equilíbrio da referida composição de liga contém Fe; as referidas camadas tendo uma espessura na faixa de 2,0 microns a 200,0 microns; e a referida peça metálica impressa indica uma resistência à tração de pelo menos 1000 MPa, limite de escoamento de pelo menos 640 MPa, alongamento de pelo menos 3,0% e dureza (HV) de pelo menos 375.
18. Peça metálica impressa, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que Cr está presente em 10,0% em peso a 18,3% em peso, Mo está presente em 0,89% em peso a 2,5% em peso, C está presente em 0,01% a 0,30% em peso, Ni está presente em 0 a 2,5% em peso, Cu está presente em 0 a 2,56% em peso, Nb está presente em 0 a 0,7% em peso, Si está presente em 0 a 0,7% em peso e N está presente em 0 a 0,25% em peso, o equilíbrio de Fe.
19. Peça metálica impressa, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a referida liga inclui, pelo menos, quatro elementos selecionados a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N.
20. Peça metálica impressa, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a referida liga inclui, pelo menos, cinco elementos selecionados a partir de C, Ni, Cu, Nb, Si e N.
21. Peça metálica impressa, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a referida liga inclui C, Ni, Cu, Nb, Si e N.
22. Peça metálica impressa, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a referida peça indica uma resistência à tração de 1000 MPa a 1900 MPa, um limite de escoamento de 640 MPa a 1500 MPa, um alongamento de 3,0% a 25,0% e uma dureza (HV) de 375 a 600.
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