Los científicos del laboratorio de investigación federal estadounidense Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) han demostrado en un estudio reciente que las propiedades del metal pueden modificarse deliberadamente durante la fabricación mediante fabricación aditiva. Al variar la velocidad del escaneo láser mientras se imprimían aleaciones de alta entropía, el equipo demostró cómo la velocidad de enfriamiento afecta la estructura atómica a medida que el metal se solidifica. Los resultados muestran que el comportamiento del material se puede moldear directamente a través de los parámetros del proceso, en lugar de mediante el posprocesamiento o el rediseño de la aleación.
Los hallazgos apuntan directamente a la barrera principal para una adopción más amplia de la fabricación aditiva de metales en aplicaciones de uso final certificadas: la incertidumbre sobre el rendimiento del material.
La fabricación aditiva lucha con la previsibilidad
Si bien la fabricación aditiva permite la producción de geometrías complejas para componentes aeroespaciales y de defensa, su uso en aplicaciones críticas para el rendimiento sigue limitado por el comportamiento impredecible del material. La rápida fusión y solidificación durante la impresión crea microestructuras que no están en equilibrio, lo que resulta en variaciones significativas en la resistencia, ductilidad y resistencia a la fractura, incluso en las mismas configuraciones nominales del proceso.
LLNL observó que las aleaciones de alta entropía, que contienen múltiples elementos principales en lugar de un único metal base, ofrecen un espacio de diseño más amplio que las aleaciones convencionales. Su compleja química permite una amplia gama de reacciones mecánicas, pero al mismo tiempo son extremadamente sensibles al historial térmico durante la impresión. Como resultado, pequeñas diferencias en la velocidad de enfriamiento pueden cambiar significativamente la disposición y las propiedades finales de los átomos, lo que aumenta el desafío de la previsibilidad.
Usando la velocidad del láser para programar la estructura atómica
Para investigar cómo los parámetros del proceso afectan el comportamiento del material, el equipo dirigido por LLNL combinó modelos termodinámicos con simulaciones de dinámica molecular de la fabricación aditiva de metales. Los investigadores analizaron cómo la velocidad del escaneo láser afecta la velocidad de enfriamiento durante la solidificación y cómo se organizan los átomos en una aleación compleja.
Los resultados mostraron que una velocidad de escaneo láser más rápida aumenta la velocidad de enfriamiento, limitando el tiempo que tardan los átomos en reorganizarse en configuraciones de baja energía. Esto encierra la materia en una estructura atómica que no está en equilibrio. La velocidad de escaneo más lenta permite más reordenamientos atómicos, lo que da como resultado estructuras más cercanas al equilibrio termodinámico.
Este control a nivel de proceso permite un equilibrio directo entre resistencia y ductilidad dentro del mismo sistema de aleación. Un enfriamiento rápido da como resultado una mayor resistencia pero una mayor fragilidad, mientras que un enfriamiento más lento da como resultado un comportamiento mecánico más equilibrado. En lugar de cambiar la composición de la aleación, el enfoque permite ajustar el rendimiento cambiando un único parámetro de impresión.
«Ahora estamos en un punto en el que podemos diseñar eficientemente nuevos materiales que aprovechen al máximo las características de la fabricación aditiva, como velocidades de enfriamiento muy rápidas», afirmó Thomas Voisin, líder adjunto del grupo.
Si bien el estudio de LLNL demuestra que la estructura atómica en la fabricación aditiva puede verse influenciada durante el proceso controlando la velocidad de escaneo del láser, los resultados se basan en modelos termodinámicos y simulaciones de dinámica molecular de aleaciones de alta entropía y aún no se han validado en piezas certificadas a escala de producción. Sin embargo, el trabajo sugiere que los parámetros del proceso pueden usarse como una herramienta de diseño deliberada para influir en el comportamiento del material en lugar de tratar la variabilidad microestructural como un resultado inevitable.
¿Por qué son importantes las propiedades sintonizables en la práctica?
La capacidad de ajustar las propiedades mecánicas durante la fabricación aditiva resuelve una limitación fundamental del campo: la incertidumbre del rendimiento del usuario final. En industrias como la aeroespacial, la defensa y la energía, los ingenieros no pueden diseñar ni certificar componentes basándose en una amplia gama de posibles resultados materiales. Las propiedades mecánicas deben conocerse de antemano para cumplir con los requisitos de calificación, seguridad y confiabilidad. Sin embargo, los procesos convencionales de fabricación aditiva de metales a menudo producen microestructuras variables, ya que pequeñas diferencias en el flujo de calor pueden conducir a grandes variaciones en la estructura atómica.
Investigaciones recientes muestran que se están realizando esfuerzos cada vez mayores para reducir esta incertidumbre. Los estudios han demostrado cómo la velocidad de enfriamiento de la fusión del lecho de polvo del láser afecta la estructura del grano, la tenacidad y la resistencia a la corrosión, mientras que otros equipos han desarrollado herramientas para predecir e influir en la microestructura de las superaleaciones a base de níquel modificando la potencia del láser y la estrategia de escaneo. Estos enfoques tienen como objetivo hacer coincidir el comportamiento de los materiales impresos con la intención del diseño, pero a menudo requieren una optimización exhaustiva de los parámetros o un ajuste específico de la aleación.
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La imagen destacada muestra Representación artística de las nuevas aleaciones de alta entropía fabricadas aditivamente por LLNL. Imagen vía LNLL.
