Fadiga térmica em bicos Inconel: perícia 3D de uma falha catastrófica

No mês passado, um motor de foguete experimental falhou violentamente durante um teste estático de bancada. O bocal, fabricado em Inconel 718 por fusão em leito de pó (PBF-LB), fraturou-se em múltiplos fragmentos. A equipe de engenharia iniciou uma análise forense digital utilizando o GOM Inspect para escanear os restos e reconstruir a geometria original. O objetivo era determinar se a falha foi causada por fadiga térmica cíclica ou por um defeito de fusão nas camadas internas do componente.

Reconstrução volumétrica e simulação CFD térmica no ANSYS Fluent 🔥

O pipeline começou com a varredura óptica de alta resolução dos fragmentos do bocal. O GOM Inspect permitiu alinhar as peças e gerar uma malha de superfície que foi exportada para o nTopology. Lá, foi realizada uma reconstrução volumétrica para preencher as áreas faltantes e criar um modelo sólido completo. Este modelo foi importado para o ANSYS Fluent para uma simulação CFD térmica acoplada. Foram aplicadas condições de contorno representativas do ensaio: fluxo de gases a 3200 K e pressão de câmara de 70 bar. Os resultados mostraram um gradiente térmico extremo na garganta do bocal, com temperaturas superficiais superiores a 1400 K. A análise de tensões revelou que as zonas de maior estresse coincidiam com as linhas de fratura observadas nos restos.

Lições sobre falta de fusão e fadiga em camadas impressas ⚙️

O estudo microscópico das superfícies de fratura, correlacionado com os mapas de tensão do ANSYS, identificou regiões com porosidade excessiva. Essas zonas apresentavam falta de fusão entre camadas adjacentes, atuando como concentradores de tensão. A fadiga térmica cíclica durante os segundos anteriores à falha propagou trincas a partir desses defeitos até a ruptura catastrófica. Este caso demonstra que, em aplicações de alto desempenho, a simulação de fadiga de materiais deve integrar dados reais de escaneamento 3D para capturar defeitos de fabricação que os modelos ideais omitem.

Quais técnicas específicas de simulação multifísica permitiram correlacionar os padrões de trincamento observados na análise forense 3D do bocal Inconel com os ciclos de fadiga térmica durante a falha catastrófica do motor de foguete?

(PS: A fadiga de materiais é como a sua depois de 10 horas de simulação.)