Fusão em leito de pó a laser de aço ferramenta A2: efeito de parâmetros de processo, tratamentos térmicos e adição de Cr₃C₂

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Bianchini, Bruno
Orientador(a): Gargarella, Piter lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22159
Resumo: Tool steels have strict requirements for composition, processing and mechanical properties, and are utilized in fabrication of molds or tools employed in the processing of other materials. In many cases, they are expensive and of difficult machinability, which opens up the possibility for alternative processing routes such as additive manufacturing (AM) by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), which allows fabrication of parts with complex sections, such as internal cooling channels, without additional processing cost and with minimal need for post-processing, due to its great dimensional accuracy. However, the severe conditions to which the L-PBF process submits materials induce the formation of a highly refined microstructure, and possibly defects. This work studies the possibility of manufacturing AISI A2 tool steel by L-PBF, considering the effect of process parameters and post-processing in its microstructure and properties, and the modification of this material for defect mitigation. Results showed that, despite it being possible to determine a processing window for minimal porosity, the material composition and the severe processing conditions cause the formation of cracks, mostly during solidification. The as-built microstructure is, similarly to other tool steels manufactured by L-PBF, composed of martensite cells surrounded by retained austenite, while the formation of primary carbides is suppressed. After heat treatment, the formation of secondary carbides was found to be also in low quantity, showing that temperings without prior austenitization would need higher temperatures or longer times to cause significant effects on the microstructure and mechanical properties. Finally, it was discovered that the addition of Cr3C2 chromium carbide by mechanical mixture, at a fraction of 5%, was capable of mitigating defect formation by altering the alloy composition, when manufactured by L-PBF.
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In many cases, they are expensive and of difficult machinability, which opens up the possibility for alternative processing routes such as additive manufacturing (AM) by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), which allows fabrication of parts with complex sections, such as internal cooling channels, without additional processing cost and with minimal need for post-processing, due to its great dimensional accuracy. However, the severe conditions to which the L-PBF process submits materials induce the formation of a highly refined microstructure, and possibly defects. This work studies the possibility of manufacturing AISI A2 tool steel by L-PBF, considering the effect of process parameters and post-processing in its microstructure and properties, and the modification of this material for defect mitigation. Results showed that, despite it being possible to determine a processing window for minimal porosity, the material composition and the severe processing conditions cause the formation of cracks, mostly during solidification. The as-built microstructure is, similarly to other tool steels manufactured by L-PBF, composed of martensite cells surrounded by retained austenite, while the formation of primary carbides is suppressed. After heat treatment, the formation of secondary carbides was found to be also in low quantity, showing that temperings without prior austenitization would need higher temperatures or longer times to cause significant effects on the microstructure and mechanical properties. Finally, it was discovered that the addition of Cr3C2 chromium carbide by mechanical mixture, at a fraction of 5%, was capable of mitigating defect formation by altering the alloy composition, when manufactured by L-PBF.Aços ferramenta possuem requisitos estritos de composição, processamento e propriedades mecânicas, sendo utilizados na fabricação de moldes ou ferramentas empregadas no processamento de outros materiais. Em muitos casos, são materiais caros e de difícil usinabilidade, o que abre possibilidade para rotas alternativas de fabricação como a manufatura aditiva (MA) por Fusão em Leito de Pó a Laser (PBF-LB/M), que permite fabricar peças com regiões complexas como canais de refrigeração internos, sem custo adicional de processo e com mínima necessidade de pós-processamento, devido à sua boa acurácia dimensional. Todavia, as condições severas a que o processo PBF-LB/M submete os materiais induzem a formação de uma microestrutura altamente refinada e possivelmente de defeitos. O presente trabalho estuda a possibilidade de fabricação do aço ferramenta AISI A2 por PBF-LB/M, considerando o efeito de parâmetros de processo e de pós processamento na sua microestrutura e nas suas propriedades, e a modificação do material para mitigação de defeitos. Os resultados mostraram que, apesar de ser possível encontrar uma janela de processamento para mínima porosidade, a composição do material e as condições severas de processamento causam a incidência de trincas, em sua maioria de solidificação. A microestrutura, por sua vez, se assimila à de outros aços ferramenta fabricados por PBF-LB/M, sendo composta de células de martensita envoltas de austenita, sendo a formação de carbetos primários suprimida. Após tratamento térmico de revenimento, a formação de carbetos secundários também se mostrou em baixa quantidade, evidenciando que revenimentos sem austenitização prévia precisam de temperaturas e tempos mais altos para causar efeitos significativos na microestrutura e na resistência mecânica do material. Por fim, foi descoberto que a adição de carbeto de cromo Cr3C2 por mistura de pós, a uma fração de 5%, foi capaz de mitigar a formação de defeitos ao alterar a composição da liga quando fabricada por PBF-LB/M.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo nº 2020/09343-1, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo nº 2022/06310-0, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessAdditive manufacturingLaser Powder Bed FusionTool steelsENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICAManufatura aditivaFusão em Leito de Pó a Laser de MetaisAços ferramentaAISI A2Fusão em leito de pó a laser de aço ferramenta A2: efeito de parâmetros de processo, tratamentos térmicos e adição de Cr₃C₂Laser powder bed fusion of A2 tool steel: effect of process parameters, heat treatments and addition of Cr₃C₂info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALBruno Bianchini - Tese .pdfBruno Bianchini - Tese .pdfapplication/pdf11936540https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/04b5be24-8856-4253-835e-0c866040c5d1/download36e90c4d2bd0e6afbedfa6dd07b45a4eMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a7f4aa38-22b2-417e-8bb8-236d45ae73d1/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREADTEXTBruno Bianchini - Tese .pdf.txtBruno Bianchini - Tese .pdf.txtExtracted texttext/plain102693https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/04dbd5aa-a5f9-41e6-9d91-d1128d1e9b05/download4ed228d0a7e21d2d88e9da359d336368MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILBruno Bianchini - Tese .pdf.jpgBruno Bianchini - Tese .pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3949https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9f7f3182-5d0d-4d8f-914a-ebd075da091b/downloadcd5b23212379dd276b83628a61856c0cMD54falseAnonymousREAD20.500.14289/221592025-06-03 00:29:32.381http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22159https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-06-03T03:29:32Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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