Additive manufacturing of AISI 316L with copper additions

Abstract

Resumo: Aços inoxidáveis austeníticos são ligas metálicas à base de Ferro, que se destacam por sua elevada resistência a corrosão, atribuída à da presença de Cromo e Níquel em sua composição. Estas ligas são empregadas em uma gama diversificada de aplicações, desde implantes médicos e instrumentos cirúrgicos, componentes automotivos, navais e aeroespaciais, até equipamentos para exploração de petróleo offshore. Entretanto, os aços inoxidáveis mais comumente empregados na fabricação de componentes diversos utilizados em ambientes públicos, não inibem o crescimento e proliferação de microrganismos em sua superfície. Impulsionado pela pandemia da Covid-19, o desenvolvimento de materiais com propriedades antimicrobianas tornou-se imperativo, respondendo à urgência de conter a propagação de vírus em superfícies de uso comum, como maçanetas de porta, botões de elevador e corrimãos. O Cobre (Cu), reconhecido por sua propriedade antimicrobiana, pode ser incorporado em pequenas quantidades aos aços inoxidáveis austeníticos para promover a ação antimicrobiana, entretanto, permanece como desafio o equilíbrio com as demais propriedades destes aços. Neste contexto, a Manufatura Aditiva (MA) destaca-se pela capacidade de fabricar peças metálicas com geometrias diversas, desde válvulas a próteses customizadas. Além disso, permite a customização da composição química dos materiais recorrendo a síntese in-situ de ligas através de fusão de misturas de pós metálicos, abrangendo partículas micrométricas e nanométricas. Esta pesquisa concentra-se na modificação do aço inoxidável AISI 316L com Cu, utilizando dois processos de MA, a Deposição por Energia Direcionada com Plasma de Arco Transferido (PTADED) e a Fusão em Leito de Pó a Laser (L-PBF). De maneira inovadora, micropartículas de Cu (Cu MP), nanopartículas de Cu (Cu NP) e nanopartículas de Óxido de Cobre (CuO NP) foram incorporadas individualmente ao aço inoxidável atomizado a gás. São explorados os efeitos da adição de Cu na processabilidade, características metalúrgicas e propriedades do aço inoxidável 316L. As peças sólidas resultantes foram caracterizadas quanto à composição química, microestrutura, propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e propriedades antimicrobianas. Com objetivo de estabelecer o tripé processamento-microestrutura-propriedades, abrangendo as diferentes quantidades de Cu adicionadas (1 e 5 % em massa), forma de adição (Cu MP, Cu NP e CuO NP) e técnicas de processamento (PTA-DED e L-PBF). Nesta pesquisa demonstrou-se a viabilidade do uso de pós modificados com Cu, incorporando micropartículas e nanopartículas, ao aço inoxidável 316L atomizado, para o processamento de multicamadas por PTA-DED e L-PBF, possibilitando a produção de componentes densos e livre de defeitos, com composição química personalizada. Os resultados revelam que as adições de Cu influenciam diretamente na interação entre o arco de plasma e o material de adição, especialmente nos processamentos contendo nanopartículas. As adições de Cu também alteram a geometria da poça de fusão e promovem o refino da microestrutura, embora reduzam a dureza devido a presença de Cu em solução sólida. O desempenho ao desgaste foi influenciado pela adição de Cu, com maiores teores favorecendo a formação de tribocamadas de óxido e resultando na redução dos coeficientes de atrito e de desgaste

Abstract: Austenitic stainless steels are iron-based metallic alloys known for their high corrosion resistance, attributed to the presence of Chromium and Nickel in their composition. These alloys find applications in a diverse range of uses, from medical implants and surgical instruments, automotive, naval, and aerospace components to equipment for offshore oil exploration. However, the most commonly employed stainless steels do not inhibit the growth and proliferation of microorganisms on their surface. Driven by the Covid-19 pandemic, the development of materials with antimicrobial properties has become imperative, responding to the urgency to contain the virus spread on common use surfaces, such as door handles, elevator buttons and handrails. Copper (Cu), recognized for its antimicrobial property, can be incorporated in small quantities into austenitic stainless steels to enhance antimicrobial action, however, balancing it with the other properties of these steels remains a challenge. In this context, Additive Manufacturing (AM) stands out for its ability to manufacture metallic parts with diverse geometries, from valves to customized prostheses. Additionally, it allows for the customization of the chemical composition of materials through the in-situ synthesis of alloys by melting mixtures of metallic powders, encompassing micrometer and nanometer-sized particles. This research focuses on the modification of AISI 316L stainless steel with Cu, using two AM processes: Directed Energy Deposition with Plasma Transferred Arc (PTA-DED) and Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). Innovatively, microparticles of Cu (Cu MP), nanoparticles of Cu (Cu NP), and nanoparticles of Copper Oxide (CuO NP) were individually incorporated into gas-atomized stainless steel. The effects of Cu addition on processability, metallurgical characteristics, and properties of 316L stainless steel are explored. The resulting solid parts were characterized by chemical composition, microstructure, mechanical properties, wear resistance, corrosion resistance, and antimicrobial properties. With the objective of establishing the tripod of processingmicrostructure-properties, covering different quantities of added Cu (1 and 5 wt%), forms of addition (Cu MP, Cu NP, and CuO NP), and processing techniques (PTADED and L-PBF). This research demonstrated the feasibility of using Cu-modified powders, incorporating microparticles and nanoparticles, in atomized 316L stainless steel for processing of multilayers via PTA-DED and L-PBF, enabling the production of dense, defect-free components with customized chemical composition. The results show that Cu additions directly affect the interaction between the plasma arc and the feedstock material, especially in processing involving nanoparticles. Cu additions also altered the melt pool geometry and promoted microstructural refinement, although Cu additions reduced hardness due to the presence of Cu in solid solution. Wear performance was influenced by the Cu content, with higher levels promoting the formation of oxide tribolayers and leading to reduced friction and wear coefficients