Additive manufacturing of niobium and niobium alloys

Abstract

Resumo: As ligas à base de Nióbio são consideradas as mais adequadas para substituir as ligas de Níquel na fabricação de componentes para a nova geração de aeronaves, já que as ligas de Níquel não conseguem mais atender aos requisitos de performance exigidos. O Nióbio é considerado um material estratégico para o avanço da tecnologia em nível mundial e o Brasil detém mais de 90% das suas reservas em todo o mundo. O desenvolvimento e viabilização da fabricação de com ponentes à base de Nióbio e suas ligas permitirá elevar a temperatura de operação de aeronaves, assim como a redução de peso dos seus componentes, aumentando sua performance. Embora a fabricação de ligas de Nióbio seja desafiadora, as técnicas de processamento por Manufatura Aditiva têm o potencial de realizá-la. Um processo aditivo bem conhecido é a Fusão a Laser em Leito de Pó (LPBF). A Deposição por Plasma por Arco Transferido (PTA-DED), amplamente utilizada para procedimentos de reparo e revestimento, também é uma técnica aditiva promissora para fornecer tais condições de processamento. Além disso, é a única técnica a arco que permite realizar a síntese in-situ de ligas durante a deposição de misturas de pós elementares. Tanto os equipamentos de LPBF quanto os de PTA-DED possuem um sistema de gás inerte que protege o material depositado, uma grande vantagem no processamento de materiais reativos como o Nióbio. Pouco se sabe sobre o processamento do Nióbio puro e suas ligas por técnicas aditivas, bem como as propriedades destes componentes finais. Esta investigação dá um passo importante para viabilizar o processamento de ligas de Nióbio, contendo compostos de siliceto de alta dureza e baixa tenacidade, realizando a síntese insitu destes compostos durante o processamento de multicamadas. Neste estudo, as técnicas LPBF e PTA-DED são exploradas para processar multicamadas de Nb e ligas de Nb com o objetivo de avaliar o impacto de diferentes complexidades de mistura de pós na síntese in-situ, nos caminhos de solidificação, na estabilidade aos múltiplos ciclos térmicos e na resistência à oxidação.

Abstract: Niobium based alloys are considered the most appropriate to replace Nickel alloys for new generation aircrafts, because Nickel alloys can no longer meet the extreme environmental requirements. Niobium is considered a strategic material for the advancement of technology worldwide and Brazil holds more than 90% of its reserves worldwide. The development and feasibility of manufacturing components based on Niobium and its alloys will allow raising the operating temperature of aircrafts, as well as reducing the weight of its components, increasing their performance. Although the fabrication of Niobium alloys is challenging, the emerging Additive Manufacturing processing techniques have potential to overcome it. A well-known additive process is the Laser Powder Bed Fusion (LPBF). The striking feature of this process is the high geometry resolution and the high thermal gradients generated by the energy source. The Powder Plasma Transferred Arc Direct Energy Deposition (PTA-DED) widely used for cladding and coating procedures, is also a promising additive technique to provide such processing conditions. Furthermore, it is the only arc-based technique that allows to perform in-situ synthesis during the deposition of elemental powder mixtures. Both LPBF and PTA equipments have an inert gas system that protects the deposited material, a great advantage when processing reactive materials, such as Niobium. Little is known about the processing of pure niobium and niobium alloys by additive techniques, as well as the properties of these additive parts. This investigation takes an important step to process sound Niobium alloys containing high hardness low toughness silicide compounds as multilayers, taking advantage of the in-situ synthesis of alloys during the processing of multilayers. In this study, the LPBF and the PTA-DED techniques are explored to process Niobium and Niobium alloy multilayers aiming to assess the impact of different powder mixture complexities on the in-situ synthesis, solidification paths, stability to multiple thermal cycles and the oxidation resistance.