Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-06-27T04:03:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345845.pdf: 13127141 bytes, checksum: 3f549d83cce52fc328bc3d0ca2474249 (MD5) Previous issue date: 2016 / A fusão seletiva a laser (FSL) é um dos processos de manufatura aditiva que permite fabricar peças metálicas de geometria complexa, sendo algumas destas impossíveis de obter por outros processos. Entretanto, por ser uma tecnologia relativamente nova, ainda há carência de estudos sobre as características microestruturais do material no estado como-fabricado e da sua resposta aos tratamentos térmicos de algumas ligas metálicas. Face a isto, para o presente trabalho foi selecionado como material de estudo um aço maraging do tipo C300. Foram realizadas nas amostras obtidas por FSL, tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento, em diversas temperaturas e tempos. Mediante o levantamento das curvas de envelhecimento (dureza versus tempo) foi possível determinar condições de tratamento térmico que possibilitaram aumentar a resistência mecânica em forma significativa. Um dos tratamentos indicados para aplicação em insertos e moldes de injeção, foi o envelhecimento a 510 ºC por tempos entre 1 a 2 h que, mesmo sem solubilização prévia, produz um aumento do limite de escoamento de 1.046 MPa na condição como-fabricado para 1.820 MPa em 1h. Entretanto, há uma redução sensível do alongamento total (de 15,6 para 6,6 %) e da energia absorvida no ensaio Charpy (de 37,9 para 13 J). A máxima dureza e resistência a tração, foi encontrada na amostra solubilizada a 817 ºC durante 1h e envelhecida a 440 ºC durante 10 h, apresentando 613 HV de dureza, 2.042 MPa de limite de resistência a tração, 2.005 MPa de limite de escoamento, com 4,6 % de alongamento até ruptura, e 10,5 J de energia absorvida ao impacto. Se for necessário aumentar a tenacidade e a resistência, é indicado realizar o envelhecimento a 600 ºC. Nesse caso, uma elevada tenacidade de 38,4 J foi conseguida, como resultado da formação de 35,13 % de austenita reversa, conforme medições realizadas por difração de raios-X (XRD). A análise da textura, realizada por EBSD, permitiu verificar que o material no estado como-fabricado apresenta uma elevada textura, mas ao ser submetido a solubilização a textura diminui consideravelmente, como resultado da recristalização. Na amostra envelhecida a 510 ºC durante 10 h, a fase austenítica apresentou um forte textura do tipo [001], e a martensita do tipo [101], indicando existir uma relação cristalográfica com paralelismo entre estes planos, sendo correspondente a orientação indicada por Pitsch [001]y ? [101]??.<br> / Abstract : Selective laser melting (SLM) is one of the additive manufacturing processes that allows the fabrication of metallic parts of complex geometry, to some that are impossible to obtain by other processes. However, because it is a relatively new technology, there is still a lack of studies on the microstructural characteristics of the material in the manufactured state and its response to the thermal treatments of some metal alloys. Considering this, for the present work a maraging steel type C300 was selected as study material. In the samples obtained by SLM, thermal treatments of solubilization and aging were carried out at different temperatures and times. By means of the aging curves (hardness versus time), it was possible to determine the thermal treatment conditions that allowed to increase the mechanical resistance in a significant way. One of the treatments indicated for application in inserts and injection molds was the aging at 510 ºC for times between 1 and 2 h which, even without previous solubilization, produces an increase of the flow limit of 1.046 MPa in the condition as-manufactured to 1.820 MPa in 1h. However, there is a significant reduction in total elongation (from 15,6 to 6,6%) and energy absorbed in the Charpy assay (from 37.9 to 13 J). The maximum hardness and tensile strength were found in the sample solubilized at 817 °C for 1h and aged at 440 °C for 10 h with 613 HV hardness, 2.042 MPa tensile strength limit, 2.005 MPa flow limit, 4,6% from elongation to rupture, and 10.5 J of energy absorbed at impact. If it is necessary to increase the toughness and strength, aging is indicated at 600 °C. In this case, a high tenacity of 38.4 J was achieved, as a result of the formation of 35.13% of reverse austenite, as measured by X-ray diffraction (XRD). The texture analysis, carried out by EBSD, allowed to verify that the material in the manufactured state has a high texture, but when subjected to solubilization the texture decreases considerably, as a result of the recrystallization. In the sample aged at 510 °C for 10 h, the austenitic phase presented a strong texture of type [001], and martensite of type [101], indicating a crystallographic relationship with parallelism between these planes, corresponding to the orientation indicated by Pitsch [001] and ? [101] a.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-08-15T04:11:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 347275.pdf: 20875094 bytes, checksum: f489b0fec2d7012418aabfb0fcd9c61a (MD5) Previous issue date: 2017 / A fabricação de materiais que apresentam gradientes funcionais (FunctionallyGraded Materials - FGM) exige a variação da estrutura oucomposição ao longo da peça. Várias aplicações demandam variaçõesnas propriedades dos materiais, que podem ser obtidas de maneira descontínua,com a utilização de materiais distintos, ou gradativa, com ouso de FGM. A manufatura aditiva (Additive Manufacturing ? AM) podeser utilizada para a fabricação de FGM através da fusão ou sinterizaçãoseletiva a laser (Selective Laser Melting/Sintering ? SLM/SLS). O processoutiliza um laser que incide sobre um material particulado, fundindoou sinterizando sucessivas camadas que dão forma à peça. Há umagrande dependência entre a qualidade das peças fabricadas e os parâmetrosdo processo, que devem ser escolhidos em função do material particuladoutilizado e das características estruturais desejadas na peça, portanto,é necessário conhecer o comportamento das diversas matériasprimase suas misturas para aperfeiçoar os resultados. Nesse contexto, oobjetivo deste trabalho é fabricar um material com gradação funcionalde composição por SLM e estudar a consolidação em função dos parâmetrosde processamento. Especificamente, o material deverá apresentargradação nas propriedades tribológicas, propriedade escolhida pelaconstatação do menor número de publicações encontradas sobre o tema.A gradação será obtida através de uma transição gradual entre um materialaplicado em ligas resistentes ao desgaste para um material com maioraplicação em ligas estruturais. Para isto é utilizado o pó de ferro(Höganäs AHC 100.29) e o pó de uma liga de estanho e prata (Heraeus).Os resultados mostraram os parâmetros de processamento obtidos paracada composição de um gradiente discreto de três níveis, partindo doferro puro e avançando com incrementos de 12,5% em massa do pó daliga de estanho e prata até uma mistura composta por 75% em massa depó de ferro e 25% em massa do pó da liga de estanho e prata. O trabalhotambém inclui as medidas da densidade e dureza, que apresentaramaumento em função da adição do pó da liga de estanho e prata no material.A metalografia evidencia uma estrutura heterogênea e a análisetribológica mostrou a redução no coeficiente de atrito em função daadição da liga de estanho e prata para cada composição do FGM.<br> / Abstract : The manufacturing of functionally graded materials (FGM) requires astructural or compositional variation throughout the piece. Several applicationsrequire material properties variation, which can be achieved ina discontinuous way, with the use of different materials, or gradual, withthe use of FGM. The Additive manufacturing (AM) can be used forFGM manufacturing by selective fusion or selective sintering by laser(SLM/SLS). The process uses a laser that focuses on a particulate material,melting or sintering successive layers that give shape to the piece.There is a great dependence between the quality of the manufacturedparts and the process parameters, which must be chosen according to theparticulate material used and the structural characteristics desired in thepart, so it is necessary to know the behavior of the various raw materialsand their mixtures to improve the results. In this context, the objective ofthis work is to fabricate a material with functional grading of compositionby SLM and to study the consolidation in function of the processingparameters. Specifically, the material should present gradation in tribologicalproperties, property chosen by the finding of the smallest numberof publications on the subject. The gradation will be achieved through agradual transition between a material applied in wear resistant alloys toone with greater application in structural alloys. To achieve this, ironpowder (Höganäs AHC 100.29) and the powder of a tin alloy (Heraeus)are used. The results show the processing parameters obtained for eachcomposition of a three-level discrete gradient, starting from pure ironand advancing with 12.5 wt% increments of tin alloy powder to a mixturecomposed of 75 wt% Iron and 25 wt% of the tin alloy powder. Thework also includes measurements of density and hardness, which increasedas a function of tin alloy addition. The metallography shows aheterogeneous structure and tribological analysis showed the coefficientfriction reduction as a function of tin alloy addition, for each FGM composition.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-07-15T23:11:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 223010.pdf: 8219026 bytes, checksum: 9b1a592f6f4e44b60946f5268b4366d3 (MD5) / O desenvolvimento de novos produtos envolve novos materiais, processos e metodologias de projetos. Com relação a novos materiais, a otimização de forma e função num único componente pode ser obtida por Functionally Graded Materials (FGM) ou materiais com gradientes funcionais. Assim como em materiais compósitos, o emprego de FGMs explora obter com o uso de dois ou mais materiais, funções diferenciadas que produzam um componente final otimizado. Por exemplo: materiais rígidos mas leves ou duros e condutores de calor. No entanto, genericamente, FGMs possuem como diferença uma gradual transição entre cada um dos elementos que formam o componente, em oposição a transição bem definida entre os compósitos. Apesar das potenciais vantagens e aplicações, uma das principais limitações dos FGMs é a baixa complexidade obtenível pelos processos de fabricação existentes. Nos últimos 10 anos, pesquisas têm procurado obter FGMs a partir de tecnologias de fabricação por adição de camadas, também conhecidas por prototipagem rápida. Devido ao potencial de produzir virtualmente objetos de forma livre em qualquer tipo de material, acredita-se que estas tecnologias possam ser usadas para obter componentes FGM com geometrias complexas. Inserido neste contexto, a fabricação de moldes para injeção poderia ser beneficiada pela adoção da fabricação de geometrias complexas e inserção de FGMs. Um molde poderia ter regiões enriquecidas com carboneto de tungstênio para aumentar resistência ao desgaste. Alternativamente, regiões ricas em material de maior condutividade térmica proporcionariam extração diferencial de calor para homogeneizar a solidificação da peça injetada. Assim, moldes de alta performance poderiam ser obtidos, produzindo em ciclos menores peças com maior qualidade. Neste trabalho, a fabricação de FGM entre aço ferramenta H13 e cobre para obtenção de moldes através do processo de fusão seletiva a laser foi estudada. Para a obtenção de corpos-de-prova, um laser pulsado de Nd:YAG foi utilizado para fundir pós de H13 e cobre, camada por camada. Parâmetros de construção e de processamento do laser foram pesquisados por meios estatísticos a fim de obter composições de materiais entre H13 e cobre com o menor quantidade de defeitos. As propriedades das composições, densidade, microdureza, módulo de elasticidade, coeficiente de expansão térmica linear e condutividade térmica e do gradiente foram testadas. A adição de cobre ao H13 ocasionou a alteração das propriedades do material. No entanto, os defeitos resultantes da solidificação de H13 mais cobre indicaram que o processo precisa ser melhorado. Assim, propriedades mecânicas e térmicas mais condizentes para as aplicações desejadas poderão ser obtidas. Um inserto FGM também foi utilizado na moldagem de polipropileno para verificar o efeito da adição do Cu ao material base H13. Os resultados indicaram que a adição de cobre alterou a transferência de calor no molde. Uma geometria de maior complexidade também foi produzida, provando que é possível obter componentes para outras aplicações e moldes complexos. The development of new products involves new materials, processes and design methodologies. Concerning new materials, the optimization of form and function into a single component is explored by the use of Functionally Graded Materials (FGMs). Similar to composites, in FGMs two or more materials are used to optimise the properties of each functional element that could produce an optimized final component. As examples: materials that are tough but light or hard but thermally conductive. Nevertheless, generically speaking, in FGMs materials are subjected to a gradual transition between each one of the elements that form the component, in opposition to the well defined transition in composites. Despite the potential advantages and applications, one of the main limitations of FGMs is the low complexity obtained by actual manufacturing processes. In the last 10 years, researchers had been attempted to manufacture FGMs from layer additive manufacturing technologies, also known as Rapid Prototyping (RP). As these technologies had the potential to virtually build free-form objects in any kind of material, it is believable that they might be used to obtain FGMs components with complex shapes such as graded moulds with conformal cooling channels. In this context, highly efficient injection moulds integrated with "smart" cooling channels can be produced by implementing additive layer manufacturing and FGMs. A mould could have richer regions of tungsten carbide to increase wear resistance. Alternatively, richer regions on material with higher thermal conductivity might extract heat differentially to homogenously solidify the injected part. Consequently, high performance moulds could be obtained, producing in shorter cycles higher quality parts. In this work, the manufacturing of FGM between H13 tool steel and copper (Cu) to obtain moulds by selective laser fusion was the subject of study. This work was carried out to optimise process parameters using high power pulsed Nd:YAG laser. H13 and Cu powders were used. Building and laser processing parameters were optimized using statistical analysis to process various material compositions of H13 and Cu in order to minimise defects such as pores and cracks. The Cu addition to the H13 changed the properties of the material. The material compositions properties, density, microhardness, elastic modulus, linear thermal expansion coefficient and thermal conductivity and of the gradient were tested. Nevertheless, the defects from the solidification of H13 plus Cu indicated that the process must be improved. This improvement, would allow to obtain mechanical and thermal properties more appropriate to the desired applications. X-graded FGM inserts also were fabricated and used in the injection moulding of polypropylene to verify the effect of Cu addition to the H13 base material. The results indicated that the addition of Cu affected the heat transfer in the mould. A complex geometry also had been produced, proving that it is possible to obtain parts for other applications and complex moulds.