El statu quo de las aleaciones metálicas en la manufactura aditiva (Segunda parte)

El statu quo de las aleaciones metálicas en la manufactura aditiva (Segunda parte)

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Esta es la segunda parte de un artí­culo en dos entregas sobre el status quo de las aleaciones metálicas en la manufactura aditiva. Para leer la primera parte de este informe, por favor haga clic en el vinculo.

Polvos de aleación procesados comúnmente

Entre los primeros polvos de aleación que se usaron en el proceso de manufactura aditiva se encontraba la aleación de titanio común designada como Ti6Al4V, alias Ti64. Esta aleación es increí­blemente versátil y generalmente se usa en muchos sectores de la industria debido a su alta relación resistencia-peso, siendo comparable al acero, pero con casi la mitad del peso. Hay, de hecho, muy pocas otras composiciones de aleaciones que se utilicen tan ampliamente en industrias tan diversas, y esto también ha llevado a que sea una de las aleaciones más populares que se usan actualmente en manufactura aditiva. Si bien hay una única especificación de nivel superior de la aleación, esta aleación se utiliza en realidad en dos grados, el Grado 5 más común y el Grado 23 Intersticial Extra Bajo (ELI). La composición de este último difiere debido a que hay controles mucho más estrictos en las cantidades permitidas de oxí­geno y nitrógeno.

La metalurgia de la Ti64 también es muy compleja, y existen muchos estándares internacionales diferentes para cubrir las propiedades que deben lograrse después de seguir cualquiera de una gran cantidad de ciclos de tratamiento térmico disponibles. Incluso en el caso de la manufactura aditiva, el primer estándar publicado para esta aleación según la ASTM F42 fue lo suficientemente amplio como para permitir la producción mediante cualquier método LPBF y posteriormente prácticamente cualquier tratamiento térmico permisible debido a la gran cantidad de estándares ya existentes para esta aleación.

La Ti64 no es la única aleación de titanio que ha sido procesada por manufactura aditiva de metal, y ahora hay varias composiciones de aleaciones disponibles, incluso si la mayorí­a todaví­a están en una etapa temprana de desarrollo.

Debido a que cada proveedor de máquinas opera sus sistemas de una manera ligeramente diferente, probablemente sea más sensato indicar cualquier propiedad en la condición verdaderamente construida; sin embargo, ya que el esfuerzo residual es un problema particular para la T64, no es tan simple producir esta información y, por lo tanto, la mayorí­a publica datos después de un ciclo de alivio de esfuerzo. Los datos publicados por Renishaw para su polvo de aleación Ti64 ELI, también conocido como Ti64 Grado 23, se muestran a continuación. Tenga en cuenta que existen muchos ciclos diferentes de tratamiento térmico para relajar los esfuerzos y cada uno de ellos dará como resultado propiedades mecánicas diferentes. Por ejemplo, la División de Productos Médicos y Dentales de Renishaw ha desarrollado un ciclo de tratamiento térmico a medida que conduce a niveles increí­blemente altos de flexibilidad en la aleación ELI, que ahora se produce bajo el nombre comercial de X-Flexâ„¢.

Sin embargo, la Ti64 no es la única aleación de titanio que ha sido procesada por manufactura aditiva de metal, y ahora hay varias composiciones de aleaciones disponibles, incluso si la mayorí­a todaví­a están en una etapa temprana de desarrollo. Estas otras aleaciones incluyen las aleaciones comercialmente puras cubiertas por el nombre del grupo Ti-CP, la aleación médica Ti7Al7Nb y otras aleaciones de alta temperatura o alta resistencia tales como, Ti-6242.

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Tabla 1 Comparación de las propiedades mecánicas de la Ti6AlV producida por manufactura aditiva.

El siguiente grupo más común históricamente de aleaciones utilizadas en manufactura aditiva de metal es probablemente el acero en polvo. Estos pueden subdividirse en aceros de herramientas o aceros inoxidables, y se ha llevado a cabo un vasto cuerpo de trabajo durante los últimos 15 años, más o menos, para estudiar el desempeño de estas aleaciones tanto en el proceso manufactura aditiva y en el uso actual. Como resultado de todo el trabajo hasta la fecha, ahora existe una regla general muy clara de que los aceros al carbono son más difí­ciles de procesar, y que la mayorí­a, si no todo, el trabajo exitoso se ha llevado a cabo en plataformas LPBF de metal estándar usando grados equivalentes de acero de bajo carbono o incluso sin él.

La aleación más popular en uso hoy en dí­a es el acero martensí­tico envejecido que a menudo se conoce como M300 o 1.2709, y clasificado dentro del sector de la manufactura aditiva como acero para herramientas; sin embargo, esta aleación fue de hecho desarrollada y utilizada por el sector aeroespacial para casos de misiles y cohetes, resortes de retroceso, elementos flexibles, actuadores, componentes de tren de aterrizaje, ejes de alto rendimiento, engranajes y sujetadores. La aleación luego se usó en herramientas de extrusión, y en la industria de fundición a presión para matrices de larga duración y también como clavijas de núcleo. Al igual que la aleación de titanio descrita anteriormente, los aceros envejecidos se pueden tratar térmicamente de varias maneras para obtener propiedades muy diferentes; sin embargo, a diferencia del titanio, es posible utilizar el acero martensí­tico envejecido en la condición en que se construyó sin ningún otro tratamiento térmico. Como tal, la resistencia a la tracción, por ejemplo, puede variar desde alrededor de 1000MPa en la condición de construcción hasta, y por encima de, 2000MPa en la condición de endurecimiento por envejecimiento.

La razón por la cual este acero en particular ha demostrado ser tan exitoso se debe una vez más a su uso diverso en varias industrias, y en particular porque las piezas fabricadas por manufactura aditiva se han utilizado con éxito como alternativa a las herramientas de moldeo producidas convencionalmente de los aceros para herramienta H13 y H11, los cuales han demostrado ser difí­ciles de procesar a través de manufactura aditiva.

De los aceros inoxidables, principalmente han sido los aceros inoxidables martensí­ticos endurecibles por precipitación, ya sea 17-4PH o 15-5PH, este último supuestamente con una mejor resistencia a la oxidación a mayor temperatura, y los aceros inoxidables austení­ticos ASM serie 300, 316L y 304L. Al igual que con las aleaciones descritas anteriormente, estos dos tipos de aceros inoxidables se eligieron inicialmente como metales candidatos para manufactura aditiva debido a la variedad de usos industriales, ofreciendo así­ un mayor rango de posibilidades para esta nueva tecnologí­a. Todos estos aceros se utilizan comúnmente en el sector aeroespacial, o para dispositivos médicos, y en industrias pesadas, como el sector del petróleo y el gas.

Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación (PH) tí­picamente ofrecen alta resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y resistencia a la oxidación moderadamente buena a altas temperaturas, al mismo tiempo que exhiben una buena tenacidad. Ambas aleaciones se usan generalmente en la condición de endurecimiento por envejecimiento y esto se logra mediante ciclos de tratamiento térmico después de que las piezas se hayan construido y retirado de la máquina de manufactura aditiva. Incluso sin ningún tratamiento de solución inicial, estos aceros inoxidables PH pueden tener resistencias a la tracción superiores a 1400MPa.

Como con todas las aleaciones, existe una gama de composiciones permitidas que se describen en la norma internacional correspondiente para la aleación, y esto también significa que algunos pequeños cambios en la composición de la aleación de un proveedor a otro también pueden conducir a una variación significativa en las propiedades del material; sin embargo, las propiedades finales dependen en gran medida del historial exacto de tratamiento térmico de las piezas en cuestión.

Un error común de los primeros en adoptar la manufactura aditiva usando el 17-4PH fue no enfriar las piezas lo suficiente como para obtener una estructura totalmente martensí­tica antes de llevar a cabo el endurecimiento por envejecimiento. Esto llevó a propiedades mecánicas significativamente más bajas de lo esperado y a la falsa creencia de que este acero inoxidable no podí­a usarse para producir piezas de calidad a través de manufactura aditiva.

Finalmente, se ha llevado a cabo muy poco trabajo hasta la fecha sobre las otras propiedades fí­sicas de estas aleaciones, pero algunas investigaciones tempranas encontraron que la resistencia a la corrosión de las piezas producidas por manufactura aditiva, después de un ciclo de endurecimiento por envejecimiento, era muy inferior a los equivalentes forjados convencionalmente. Esto indica que el tratamiento térmico es un paso crí­tico en la cadena de posprocesamiento para estos aceros si se quiere lograr el mejor rendimiento.

De los aceros inoxidables austení­ticos, el 316L es por mucho el más utilizado en manufactura aditiva con metal. Como aleación industrial estándar, se selecciona por su resistencia a la corrosión, especialmente en algunos entornos ácidos, y debido a su resistencia superior en comparación con el acero inoxidable 304. Estos aceros inoxidables de una sola fase no son tratables térmicamente, lo que significa que su resistencia no se puede aumentar significativamente a través del tratamiento térmico; sin embargo, una de las peculiaridades de la ruta de proceso de manufactura aditiva es que en este caso tí­picamente resulta en aleaciones de mayor resistencia en comparación con los productos forjados convencionalmente. Algunas cifras reportadas de resistencia a la tracción sugieren que se pueden lograr más de 700 MPa, pero la mayorí­a de los usuarios de manufactura aditiva han reportado valores superiores a 600 MPa, que aún es más alto que el material forjado tí­pico, a menos que se haya trabajado en frí­o; Sin embargo, a diferencia de los aceros inoxidables PH, ha habido niveles generalmente aceptables de resistencia a la corrosión en las piezas producidas por manufactura aditiva con la aleación de 316L.

Uno de los usos más prolí­ficos de la manufactura aditiva con metal hasta la fecha ha sido con una aleación de Cobalto-Cromo-Molibdeno, que simplemente se conoce como Cobalto-Cromo, en el sector dental. Este es un derivado de la aleación ISO 5832, o ASTM F75, que tiene sus orí­genes históricos como una aleación Stellite®, y que originalmente se desarrolló como una aleación de fundición para el uso de implantes ortopédicos. La aleación dental, sin embargo, difiere de la aleación de implantes Cobalto-Cromo ya que es libre de ní­quel (Ni) y tiene tungsteno (W) en mayor contenido. Además, el uso actual de esta aleación dental en manufactura aditiva con metal por LPBF está controlado bajo licencia por los propietarios de la patente. La aleación dental tiene muy buena resistencia (> 1300MPa después de aliviar los esfuerzos), es biocompatible y se recubre fácilmente con esmalte sin problemas. Combinando la capacidad de fabricar pilares, coronas y puentes especí­ficos para cada cliente con precisión, mediante técnicas de manufactura aditiva de precisión, como las ofrecidas en los sistemas Renishaw AM 250, ha llevado a este éxito y popularidad a estas aleaciones.

Sin embargo, aunque se ha hecho algo de trabajo en el campo de los implantes médicos, debido a la flexibilidad que ofrece la manufactura aditiva, la versión más genérica de implantes médicos de esta aleación ha encontrado usos en otros sectores industriales, el más común es el aeroespacial y el petróleo y gas, debido a su similitud con la aleación Stellite® 21. Las composiciones de aleación con mayor contenido de carbono tienden a ser mejores donde se requiere resistencia al desgaste, pero esta aleación exhibe una resistencia a la tracción moderadamente buena (>1100 MPa) con alta tenacidad, ductilidad (elongación 18-20%), buena resistencia a la corrosión y trabaja bien a altas temperaturas. Al igual que con la mayorí­a de los metales para manufactura aditiva, las propiedades finales se pueden adaptar a los requisitos especí­ficos a través de una cuidadosa selección de ciclos de tratamientos térmicos.

Otras composiciones de superaleaciones de alta temperatura se basan en aleaciones del grupo Ni conocidas como Inconel®, siendo las dos variantes más frecuentes 625 y 718. La elección de la aleación a usar dependerá normalmente de la combinación de la temperatura máxima de funcionamiento y los requisitos de resistencia; sin embargo, en el sector de manufactura aditiva ha habido una preferencia inicial por la aleación 625 porque el ciclo de tratamiento térmico posterior a la construcción es relativamente sencillo, y fue el material de elección dentro del sector del automovilismo de donde se derivaron muchos trabajos iniciales de MA.

Estas aleaciones basadas en Ni tienen un alto contenido de aleación que les permite soportar una amplia variedad de ambientes corrosivos severos. Por ejemplo, en ambientes relativamente suaves como los que se encuentran en la atmósfera, agua dulce y agua de mar, solo hay un ataque mí­nimo; sin embargo, incluso en ambientes corrosivos más severos, la combinación de ní­quel y cromo proporciona resistencia a los productos quí­micos oxidantes, y el contenido de molibdeno proporciona resistencia a ambientes no oxidantes. La presencia de molibdeno también hace que estas aleaciones sean muy resistentes a las picaduras y a la corrosión en grietas y, además, el niobio actúa estabilizando la aleación contra la sensibilización durante la soldadura, evitando así­ el subsiguiente agrietamiento por corrosión por tensión intergranular.

Dado que estas aleaciones a veces no son familiares para el usuario de manufactura aditiva, como reglas básicas, es posible seleccionar qué aleación usar de acuerdo con los siguientes criterios:

Elija la aleación 625 por su alta resistencia mecánica y resistencia al creep, a la ruptura y a la corrosión a altas temperaturas, incluso en el rango de 980 °C a 1140 °C. La 625 tiene resistencia a la tracción nominal a temperatura ambiente entre 827-1034MPa. Mientras que, si se requiere una mayor resistencia a la oxidación o resistencia mecánica, el 718 se puede usar en detrimento a una temperatura operativa máxima ligeramente inferior, que generalmente está en el rango de 700 °C a 760 °C, aunque se sabe que algunas partes de 718 producidas por manufactura aditiva también se han utilizado a temperaturas superiores a 1000 °C. Una resistencia más alta se logra porque esta aleación se puede endurecer por envejecimiento, lo que generalmente se logra en un proceso de dos etapas después de un tratamiento de solución inicial seguido de un enfriamiento rápido. La aleación 718 tiene una resistencia a la tracción a temperatura ambiente nominal entre 1170-1275MPa en estado completamente envejecido. Si bien los valores dados anteriormente para la resistencia a la tracción son solo indicativos del rendimiento de estas aleaciones, se ha reportado que dentro del sector de manufactura aditiva se han alcanzado valores más altos, y por esta razón siempre es aconsejable tener sus propios resultados de pruebas verificados después de haber seleccionado o especificado un ciclo de tratamiento térmico. Tenga en cuenta que ambas aleaciones también se pueden utilizar incluso a extremadamente bajas temperaturas criogénicas.

A partir del éxito de estas dos superaleaciones basadas en Ni, también ha habido un considerable interés en otras aleaciones de alta temperatura que ofrecen un desempeño aún mayor. Actualmente, existen parámetros de proceso de fusión de lecho de polvo de láser patentados para otras aleaciones del grupo Inconel®, así­ como para otros como para la Hastelloy® X, la C276 y la MAR-M247.

Probablemente las últimas entre los metales de MA comunes son las aleaciones de aluminio. La mayor parte del sector de MA inicialmente optó por trabajar con una sola aleación especí­fica, que es la aleación de fundición a presión AlSi10Mg. Esta también se considera equivalente a estas otras designaciones de aleación: aleación de fundición británica LM9, EN 43100, y similar a la aleación estadounidense A360. Si bien esto no fue ampliamente reconocido como una aleación de colada de alta resistencia, para las piezas de metal de MA se ha demostrado que es capaz de producir una resistencia razonablemente alta después del tratamiento térmico apropiado, aunque este hecho también ha sido motivo de gran controversia. Hablando en términos generales, esta aleación es endurecible por envejecimiento, pero ha habido una discusión importante sobre el ciclo de tratamiento térmico apropiado requerido para lograr la máxima resistencia. El procedimiento de tratamiento térmico estándar para esta aleación es el tratamiento en solución seguido del envejecimiento artificial, denominado ciclo T6. Este tiene un tratamiento de solución a una temperatura superior a los 500 °C durante 4-12 h, pero las temperaturas no deben superar los 550 °C, seguido de un templado en agua o un polí­mero fundido. El envejecimiento artificial se lleva a cabo normalmente entre 155-165 °C durante 6-24 h, con el tiempo y la temperatura exactos que dictan las propiedades finales. Por lo tanto, la resistencia a la tracción puede variar desde 220MPa hasta 340MPa, con una resistencia a la fluencia entre 180MPa y 280MPa.

Sin embargo, dentro del sector de MA, ha sido muy común aliviar los esfuerzos de las piezas de MA a temperaturas entre 300-400 °C durante varios perí­odos de tiempo, y después de este tratamiento térmico único se han reportado resistencias a la tracción mucho más altas. Se han publicado valores de UTS superiores a 400MPa, y se cree que esta es una consecuencia única de la forma en que se fabrican las piezas; sin embargo, debe entenderse que todaví­a es poco lo que se entiende acerca de los mecanismos de fortalecimiento de esta aleación de manufactura aditiva. Si las partes de MA se tratan térmicamente según lo que se considera las condiciones estándar de la industria T6, mencionadas anteriormente, es más probable que las propiedades sean similares, si no iguales a las de las partes moldeadas convencionalmente y tratadas térmicamente.

Dado que la aleación AlSi10Mg tiene varias aleaciones muy similares, también ha habido un aumento bastante rápido en el desarrollo de polvos y parámetros de láser para estas otras aleaciones. En muchos casos, usando los mismos parámetros para procesarlas. Estas otras aleaciones incluyen L169 (A357), AlSi7Mg y AlSi12Mg; sin embargo, otras aleaciones de aluminio de ingenierí­a tradicional como la 6061 ahora se procesan rutinariamente a través de procesos de LPBF en metal, y son capaces de igualar el desempeño de los materiales producidos convencionalmente. También se han reportado algunos éxitos recientes con la 7075, pero es probable que esto tarde algo de tiempo en verificarse. Finalmente, existen aleaciones patentadas como la Scalmalloy® desarrolladas por Airbus que están surgiendo en el sector de MA que permitirán desarrollos interesantes para su uso en aplicaciones de mayor resistencia.

Obviamente, las aleaciones que se han presentado aquí­ no son una lista exhaustiva de los metales que están siendo utilizados actualmente por el sector de MA, y de hecho otros polvos metálicos puros y aleaciones de cobre (Cu), tungsteno (W) y tántalo (Ta) aparecen con frecuencia en la investigación, o como aplicaciones industriales comerciales especializadas. Nuevos metales y aleaciones estarán surgiendo todo el tiempo y la tasa de adopción de metales para MA está aumentando. La tecnologí­a subyacente del proceso también se encuentra en un estado constante de desarrollo y los sistemas están mejorando todo el tiempo. Entonces, la consideración más importante al tratar de trabajar con cualquiera de estas aleaciones, o nuevos polvos de aleación, es tener la flexibilidad para desarrollar parámetros de proceso de láser en un sistema completamente abierto. Las máquinas de MA de Renishaw son totalmente configurables por el usuario hasta el punto de que cada aspecto del archivo de parámetros láser requerido para controlar el sistema se puede ajustar y establecer a cualquier valor que el usuario desee.

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