Fig. 1:Micrografía óptica que muestra una estructura en capas similar a Damasco que consta de una secuencia de bandas duras y blandas. Las bandas duras aparecen oscuras en la micrografía óptica, porque los precipitados ricos en Ti en estas capas dan lugar a una superficie rugosa durante el grabado. Los precipitados se limitan a los delgados, capas oscuras mediante un control preciso del tratamiento térmico intrínseco durante el proceso de fabricación aditiva. La línea roja muestra el aumento de dureza en las capas oscuras debido al endurecimiento por precipitación. Crédito:P. Kürnsteiner, M. Wilms
Dr. Philipp Kürnsteiner, El profesor Eric Jägle y su equipo en el Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) diseñaron, junto con colegas del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser, un nuevo acero resistente y dúctil, imitando la estructura estratificada de los aceros de Damasco. Pudieron aprovechar el tratamiento térmico intrínseco durante la fabricación aditiva, ahorrando así tiempo y costes del habitual tratamiento térmico posterior al proceso. Los científicos publicaron recientemente sus hallazgos en Naturaleza .
"Diseñamos una nueva plancha, Acero a base de níquel y titanio hecho a medida para procesos de fabricación aditiva. Este nuevo acero es capaz de aprovechar las ventajas de la deposición de energía dirigida, como la capacidad intrínseca de tratamiento térmico. Controlando la temperatura y las velocidades de enfriamiento, pudimos controlar digitalmente la microestructura de las aleaciones capa por capa y obtuvimos un acero maraging con propiedades ajustables ", explica Kürnsteiner, investigador postdoctoral en los grupos "Aleaciones para Fabricación Aditiva" (AAM) y "Tomografía Atom Probe" y primer autor del Naturaleza publicación. La deposición de energía dirigida es una de las técnicas de fabricación aditiva más populares. Las muestras se construyen a partir de modelos informáticos de una manera totalmente digitalizada mediante la fusión de polvo metálico con un rayo láser enfocado. La construcción capa por capa, típico de los procesos de fabricación aditiva, dio la oportunidad de imitar la estructura de los aceros de Damasco. Los aceros de Damasco adquieren su alta resistencia y ductilidad a través de una estructura de capas blandas y duras, que se consigue mediante repetidos plegados y forjados.
"En lugar de plegar y forjar, utilizamos el control digital sobre los parámetros del proceso. Explotamos la compleja historia térmica de la fabricación aditiva, incluido el recalentamiento cíclico para desencadenar las transformaciones de fase necesarias para una alta resistencia y ductilidad:primero, una formación de una microestructura de martensita rica en níquel transformada a partir de austenita. Segundo, la formación de precipitados de níquel-titanio, que conduce a un efecto endurecedor, "explica Jägle, Jefe del grupo AAM y desde enero de 2020 también profesor en la Universität der Bundeswehr München. Los científicos obtuvieron el control sobre el enfriamiento de la muestra a través de tiempos de pausa específicos que se introdujeron durante el proceso de fabricación aditiva. Esto permitió controlar la secuencia de las transformaciones de dos fases y, por tanto, alternar entre regiones endurecidas y no endurecidas. Para estudiar la microestructura compleja y altamente jerárquica de los aceros fabricados aditivamente, Se utilizó una combinación de diferentes técnicas analíticas, incluida la difracción por retrodispersión de electrones y la tomografía con sonda atómica. Esto permitió dibujar una imagen completa de la microestructura que va desde capas endurecidas que ocurren en una escala de longitud milimétrica hasta estructuras de solidificación en una escala micrométrica hasta precipitados de níquel-titanio de tamaño nanométrico que fueron desencadenados por el tratamiento térmico intrínseco.
Fig.2:Medición de tomografía con sonda atómica que muestra los precipitados ricos en Ti que se desencadenan por el tratamiento térmico intrínseco durante el proceso de fabricación aditiva en la oscuridad. capas endurecidas. Se muestran átomos de Ti en una capa delgada de 5 nm de espesor a través del volumen reconstruido. El gráfico de la parte inferior derecha muestra un perfil de composición a través de un único precipitado rico en Ti como lo indican los recuadros naranjas discontinuos. Los precipitados contienen un 25% de Ti. Crédito:P. Kürnsteiner, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
"Otras posibilidades imaginables para controlar el tratamiento térmico in situ, además de ajustar la duración de la pausa del láser, podría estar afinando la potencia del láser, su ruta de exploración o aplicando métodos externos de calentamiento y enfriamiento. Ahora estamos probando las diferentes posibilidades junto con nuestros socios del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser. Esto abre nuevas puertas para ajustar localmente la microestructura de piezas tridimensionales complejas si nuestro enfoque se combina con un potente software de simulación de procesos. Adicionalmente, nuestro enfoque es adecuado para una amplia gama de aleaciones y procesos de fabricación aditiva, "explica Kürnsteiner.
Los científicos del MPIE pudieron demostrar que el tratamiento térmico intrínseco durante la fabricación aditiva con láser brinda la oportunidad de ajustar las microestructuras localmente. La capacidad de manipular la microestructura se utiliza mejor en aleaciones que pueden reaccionar de manera óptima a las condiciones específicas de la fabricación aditiva. como se muestra para el Fe recientemente desarrollado 19 Ni 5 Acero Ti. El objetivo ahora es diseñar más aleaciones que se beneficien del endurecimiento por precipitación in situ y el control de la microestructura local proporcionado por la fabricación aditiva. La oportunidad de adaptar localmente microestructuras y propiedades mecánicas abre nuevas posibilidades de fabricación. Las herramientas o piezas de construcción se pueden construir con núcleos blandos y revestimientos exteriores duros sin revestimientos adicionales u otros tratamientos de endurecimiento.
