Fabricación aditiva, también llamada impresión 3-D, se usa comúnmente para construir objetos tridimensionales complejos, capa por capa. Los investigadores de A * STAR han demostrado que el proceso también puede ayudar a hacer una aleación de alto rendimiento aún más fuerte.

El cobalto-cromo-hierro-níquel-manganeso (CoCrFeNiMn) se conoce como una aleación de alta entropía. Descubierto en 2004, es particularmente bueno para resistir fracturas en condiciones ambientales adversas, como las bajas temperaturas. Para hacer un objeto de la aleación, Los investigadores suelen verter el metal fundido en un molde, déjalo enfriar, y luego mecanizarlo en la forma deseada. Sin embargo, esta puede ser una forma costosa y que requiere mucho tiempo de fabricar componentes complejos. En principio, La fabricación aditiva podría omitir el paso de mecanizado para fabricar directamente componentes complejos.

Nai Mui Ling Sharon del Instituto A * STAR de Tecnología de Fabricación de Singapur (SIMTech), sus colegas, y colaboradores internacionales han demostrado que un método de fabricación aditiva, llamado fusión selectiva por láser, se adapta bien a la construcción de componentes de CoCrFeNiMn. El proceso utiliza un potente rayo láser para derretir pequeñas partículas de polvo de la aleación, que luego se fusionan para formar un objeto sólido. Notablemente, los investigadores descubrieron que el proceso en realidad produce un material más resistente que los métodos de fundición convencionales. "Presenta una resistencia mejorada con una ductilidad relativamente buena, "dice Zhu Zhiguang, un investigador del equipo SIMTech que dirigió el estudio.

Los investigadores primero crearon un polvo prealeado de CoCrFeNiMn, conteniendo partículas que tenían un promedio de 36 micrómetros de diámetro. Luego usaron fusión por láser para convertir las partículas en cubos de 10 milímetros de ancho, o barras planas de 90 milímetros. También variaron la potencia del láser, y la velocidad a la que escaneó las partículas de aleación, para comprender cómo las diferentes condiciones de impresión afectaron el rendimiento de la aleación.

El análisis de las muestras reveló una serie de características que determinaron las propiedades del material. Por ejemplo, contenía charcos de fusión microscópicos, más bien como soldaduras en miniatura que mantenían unido el material. También contenía granos cristalinos alargados que tenían aproximadamente 13 micrómetros de ancho; estos granos se subdividieron en "células" más pequeñas de menos de un micrómetro de ancho. Los investigadores encontraron que estas células jugaron un papel crucial en el fortalecimiento de la aleación.

Los cristales contienen una matriz regular de átomos dispuestos en patrones repetidos. Los cristales grandes a menudo se escinden con bastante facilidad:si los átomos de una parte del cristal se salen de su lugar, obligan a los átomos vecinos a deslizarse de la misma manera, enviando una fractura corriendo a través de todo el cristal.

Pero los materiales formados a partir de muchos granos más pequeños pueden evitar este problema. Esto se debe a que la estructura cristalina de cada grano puede no coincidir con la de sus vecinos, por lo que cualquier dislocación atómica se detiene tan pronto como alcanza un límite de grano.

Las minúsculas células de la aleación del investigador parecen mejorar este efecto fortalecedor, atrapando dislocaciones y ofreciendo una mejora importante en la resistencia del material. Una de las aleaciones impresas, preparado utilizando condiciones de impresión optimizadas, podría soportar 510 megapascales de estrés antes de que comenzara a deformarse permanentemente. Esto es casi el doble de la tensión que puede soportar una aleación de CoCrFeNiMn preparada convencionalmente.

Luego, los investigadores calentaron sus objetos impresos en 3D a 900 grados Celsius durante una hora bajo una atmósfera inerte. Esto eliminó parcialmente la estructura celular y redujo la resistencia del material, pero también hizo que el material fuera más dúctil, lo que le permite deformarse aún más.

Los investigadores esperan que el ajuste de los procesos de impresión 3D pueda mejorar aún más las propiedades mecánicas de los materiales. También planean utilizar la fusión selectiva por láser para fabricar otras aleaciones de alto rendimiento, para que puedan estudiar cómo la estructura microscópica de los materiales afecta sus propiedades. "Con este entendimiento, estaremos mejor equipados para adaptar sus propiedades a la aplicación industrial, y ayudar a acelerar la adopción de la fabricación aditiva, "dice Nai.