Caracterização das propriedades microestruturais, magnéticas e térmicas do Fe–45Ni fabricado por fusão seletiva por laser em leito de pó

Metal que Mantém Sua Forma e Seu Magnetismo

Satélites modernos, telescópios e instrumentos de precisão exigem peças metálicas que praticamente não mudem de tamanho com a temperatura e, ao mesmo tempo, respondam fortemente a campos magnéticos. Este estudo explora uma receita promissora para tais peças: uma liga ferro–níquel contendo 45% de níquel (Fe–45Ni), fabricada não por fundição e usinagem convencionais, mas por impressão 3D com laser. O trabalho mostra como ajustar os parâmetros de impressão para que a liga saia densa, fortemente magnética e extremamente estável ao aquecimento.

Por que uma Liga Impressa em 3D Importa

As ligas ferro–níquel já são usadas em dispositivos que exigem magnetismo confiável e expansão térmica muito baixa — de relógios de precisão a estruturas espaciais. Mas os métodos convencionais de fabricação têm dificuldade para criar formas intrincadas sem trincas, desperdício de material e usinagem adicional cara. A fusão seletiva por laser em leito de pó, um processo de impressão metálica 3D, oferece um caminho para construir formas complexas diretamente a partir do pó. O problema é que o laser intenso e em rápido movimento também gera variações de temperatura acentuadas que podem deixar poros, fissuras e tensões residuais. Os autores procuraram verificar se o Fe–45Ni poderia ser impresso de modo a evitar esses problemas, preservando sua combinação especial de força magnética e estabilidade dimensional.

Como o Metal é Impresso e Examinado

Os pesquisadores começaram com pó esférico de Fe–45Ni produzido por atomização a gás, escolhido por seu bom escoamento na impressora. Eles utilizaram uma máquina comercial de fusão seletiva por laser em leito de pó para construir pequenos cubos de 7×7×7 mm usando um padrão de varredura em tabuleiro de xadrez, variando a potência do laser e a velocidade de varredura enquanto mantinham espessura de camada e espaçamento de hatch constantes. Após a impressão, cortaram e poliram os cubos e os examinaram com microscopia óptica e eletrônica para medir densidade e localizar poros e fissuras. Também usaram difração de raios X para identificar a estrutura cristalina e técnicas de microscopia mais avançadas para mapear formas e orientações dos grãos. Por fim, testaram o comportamento magnético em diferentes direções e mediram quanto a liga se expandia ao ser aquecida da temperatura ambiente até 500 °C.

Encontrando a Faixa Ideal nas Condições de Impressão

O estudo constatou que tanto pouca quanto muita energia do laser podem prejudicar a qualidade da liga. Em baixa potência do laser ou em velocidades de varredura muito altas, as camadas metálicas não se fundem completamente, produzindo vazios irregulares e fissuras por calor ocasionais. Em energias muito altas, o gás aprisionado no pó original ou criado durante a fusão fica selado como poros esféricos. Ao equilibrar cuidadosamente potência e velocidade do laser, a equipe alcançou uma densidade relativa muito alta, cerca de 99,3% a 85 W e 300 mm/s, deixando apenas poros finos e dispersos. Nestas melhores condições, a estrutura interna consistia principalmente de grãos colunares compactos crescendo ao longo da direção de fabricação, intercalados com alguns grãos menores e mais blocados. Esse padrão texturizado de grãos, definido pelo fluxo de calor durante a solidificação, mostrou-se importante para a resposta magnética da liga.

Força Magnética e Estabilidade ao Calor

Quando a equipe mediu o magnetismo ao longo e transversalmente à direção de construção, constatou que o Fe–45Ni impresso se comporta como um ímã macio em ambas as direções — magnetiza-se facilmente e perde a maior parte do magnetismo quando o campo é removido. No entanto, a resposta não foi idêntica em todas as direções. Ao longo da direção de construção, o material mostrou maior permeabilidade (magnetiza-se mais prontamente) e menor coercitividade (foi necessária menos intensidade de campo para inverter a magnetização). Na direção transversal, foi necessário mais campo, provavelmente porque poros, contornos de grão e tensões residuais dificultam o movimento das paredes de domínio magnético. Apesar dessas imperfeições, a magnetização máxima da liga foi alta, favorecida por seu teor relativamente grande de ferro. Testes térmicos mostraram que, entre a temperatura ambiente e cerca de 400 °C, a expansão da liga permaneceu muito pequena e quase igual em diferentes direções, com um coeficiente de aproximadamente 6×10⁻⁶ por grau Celsius — próximo ao comportamento conhecido como Invar. Só acima de cerca de 415 °C, perto da temperatura de Curie onde o magnetismo desaparece, a liga começou a expandir-se mais rapidamente.

O Que Isso Significa para Aplicações Reais

Em termos simples, os autores mostram que o Fe–45Ni pode ser impresso em 3D formando peças densas e sem trincas que mantêm seu tamanho quase inalterado ao aquecer e resfriar, ao mesmo tempo em que atuam como ímãs fortes e de fácil controle. Ao ajustar parâmetros adequados do laser, minimizam defeitos e moldam a estrutura interna de grãos de modo que a direção de construção se torne o caminho mais favorável para a magnetização. Essas características tornam a liga impressa uma forte candidata para componentes de precisão em aeroespacial e outros campos de alta tecnologia onde desempenho magnético e estabilidade dimensional são críticos.

Citação: Sim, N., Jung, H.Y. & Lee, KA. Characterization of the microstructural, magnetic, and thermal properties of Fe–45Ni fabricated by laser powder bed fusion. Sci Rep 16, 8049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37507-w

Palavras-chave: liga Fe–Ni, fusão seletiva por laser em leito de pó, materiais magnéticos macios, baixa expansão térmica, manufatura aditiva