El acero inoxidable de "grado marino" se valora por su rendimiento en entornos corrosivos y por su alta ductilidad, la capacidad de doblarse sin romperse bajo tensión, lo que lo convierte en la opción preferida para oleoductos. soldadura, utensilios de cocina, equipo químico, implantes médicos, almacenamiento de piezas de motor y residuos nucleares. Sin embargo, Las técnicas convencionales para fortalecer esta clase de aceros inoxidables generalmente se obtienen a expensas de la ductilidad.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), junto con colaboradores del Laboratorio Nacional Ames, Georgia Tech University y Oregon State University, han logrado un gran avance en la impresión 3D, una de las formas más comunes de acero inoxidable de grado marino, un tipo bajo en carbono llamado 316L, que promete una combinación incomparable de propiedades de alta resistencia y alta ductilidad para la aleación ubicua. La investigación aparece en línea el 30 de octubre en la revista. Materiales de la naturaleza .

"Para que todos los componentes que intenta imprimir sean útiles, Necesita tener esta propiedad del material al menos igual que las fabricadas por la metalurgia tradicional, ", dijo Morris Wang, científico de materiales de LLNL y autor principal." Pudimos imprimir componentes reales en 3D en el laboratorio con acero inoxidable 316L, y el rendimiento del material fue en realidad mejor que el de los fabricados con el enfoque tradicional. Eso es realmente un gran salto. Hace que la fabricación aditiva sea muy atractiva y llena un vacío importante ".

Wang dijo que la metodología podría abrir las compuertas a la impresión 3D generalizada de tales componentes de acero inoxidable. particularmente en el aeroespacial, industrias automotriz y de petróleo y gas, donde se necesitan materiales fuertes y resistentes para tolerar una fuerza extrema en entornos hostiles.

Para cumplir con éxito, y superar, los requisitos de rendimiento necesarios para el acero inoxidable 316L, Los investigadores primero tuvieron que superar un importante cuello de botella que limitaba el potencial de impresión 3D de metales de alta calidad. la porosidad causada durante la fusión (o fusión) con láser de polvos metálicos que puede hacer que las piezas se degraden y fracturen fácilmente. Los investigadores abordaron esto a través de un proceso de optimización de densidad que involucra experimentos y modelado por computadora, y manipulando la microestructura subyacente de los materiales.

"Esta microestructura que desarrollamos rompe la barrera tradicional de equilibrio entre resistencia y ductilidad, "Dijo Wang." Para el acero, quieres hacerlo más fuerte, pero pierde ductilidad esencialmente; no puedes tener ambos. Pero con la impresión 3D, podemos mover este límite más allá de la compensación actual ".

Usando dos máquinas de fusión de lecho de polvo láser diferentes, Los investigadores imprimieron placas delgadas de acero inoxidable 316L para pruebas mecánicas. La técnica de fusión por láser dio como resultado inherentemente estructuras jerárquicas similares a células que podrían ajustarse para alterar las propiedades mecánicas. dijeron los investigadores.

"La clave fue hacer toda la caracterización y observar las propiedades que estábamos obteniendo, "dijo el científico de LLNL Alex Hamza, que supervisó la producción de algunos componentes fabricados de forma aditiva. "Cuando se fabrica de forma aditiva 316L, se crea una estructura de grano interesante, algo así como una vidriera de colores. Los granos no son muy pequeños, pero las estructuras celulares y otros defectos dentro de los granos que se ven comúnmente en la soldadura parecen controlar las propiedades. Este fue el descubrimiento. No nos propusimos hacer algo mejor que la fabricación tradicional; Solo funcionaba de esa manera."

El investigador postdoctoral de LLNL Thomas Voisin, un colaborador clave del artículo, ha realizado amplias caracterizaciones de metales impresos en 3-D desde que se unió al laboratorio en 2016. Él cree que la investigación podría proporcionar nuevos conocimientos sobre la relación estructura-propiedad de los materiales fabricados de forma aditiva.

"La deformación de los metales se controla principalmente por la forma en que los defectos a nanoescala se mueven e interactúan en la microestructura, ", Dijo Voisin." Curiosamente, encontramos que esta estructura celular actúa como un filtro, permitiendo que algunos defectos se muevan libremente y así proporcionen la ductilidad necesaria mientras que bloquean otros para proporcionar la resistencia. Observar estos mecanismos y comprender su complejidad ahora nos permite pensar en nuevas formas de controlar las propiedades mecánicas de estos materiales impresos en 3-D ".

Wang dijo que el proyecto se benefició de años de simulación, Modelado y experimentación realizados en el laboratorio en impresión 3D de metales para comprender el vínculo entre microestructura y propiedades mecánicas. Llamó al acero inoxidable un sistema de "material sustituto" que podría usarse para otros tipos de metales.

El objetivo final, él dijo, es utilizar la informática de alto rendimiento para validar y predecir el rendimiento futuro del acero inoxidable, utilizando modelos para controlar la microestructura subyacente y descubrir cómo hacer aceros de alto rendimiento, incluyendo la resistencia a la corrosión. Luego, los investigadores buscarán emplear una estrategia similar con otras aleaciones más ligeras que son más frágiles y propensas a agrietarse.

El trabajo tomó varios años y requirió las contribuciones del Ames Lab, que hizo difracción de rayos X para comprender el rendimiento del material; Georgia Tech, que realizó el modelado para comprender cómo el material podría tener alta resistencia y alta ductilidad, y el estado de Oregon, que realizó caracterización y análisis de composición.