¿Puede el tratamiento térmico mejorar el rendimiento ante la fatiga de las piezas metálicas impresas en 3D?

Sin embargo, el principal problema con el rendimiento ante la fatiga es que las piezas impresas en 3D tienen fallas desde el nacimiento.
Los problemas con el rendimiento de fatiga de la impresión 3D en metal provienen de cómo se fabrica. Usando la aleación de titanio (Ti-6Al-4V) como ejemplo, el método de fusión en lecho de polvo (PBF) funde rápidamente el polvo metálico y luego lo solidifica. Esto causa los siguientes problemas:
Heterogeneidad de la microestructura: Los granos principales tienen una estructura columnar rugosa, con más fase cerca de los bordes de los granos, lo que facilita la aparición de grietas por fatiga.
Agujeros y espacios: si el polvo no se fusiona completamente o el gas no se disuelve, la porosidad interior puede llegar a entre 0,5% y 2%, lo que reduce considerablemente el límite de fatiga.
Esfuerzo residual: el esfuerzo de tracción que surge del enfriamiento rápido puede ser del 50% al 70% del límite elástico del material, lo que acelera el crecimiento de grietas.
El Instituto de Metales de la Academia de Ciencias de China descubrió que la resistencia a la fatiga por tensión de una aleación de titanio típica para impresión 3D es de solo 475 MPa, muy por debajo de los 900 MPa que debería ser cuando se forja. Esto se debe principalmente a los poros y a una textura rugosa que provoca grietas.
2. El camino de la tecnología de tratamiento térmico va desde eliminar los defectos hasta mejorar la organización.
Al gestionar la temperatura, la duración y la velocidad de enfriamiento, el tratamiento térmico cumple tres objetivos principales:
1. Deshacerse de los defectos internos: la tecnología de prensado isostático en caliente (HIP)
El proceso HIP emplea un gas inerte, como el argón, para mover la presión a temperaturas muy altas (900 a 1250 grados) y presiones muy altas (100 a 200 MPa). Esto hace que el material cambie de forma y cierre los agujeros en su interior. Por ejemplo:
En el sector aeroespacial, GE Aviation utilizó SLM para imprimir palas de turbina Inconel 718 y luego HIP para tratarlas. Esto redujo la porosidad del 0,8% al 0,02% y triplicó la vida a la fatiga.
Mejora de las aleaciones de titanio: una empresa de Chongqing empleó un tratamiento HIP para imprimir Ti-6Al-4V en 3D. Esto elevó el límite de fatiga de 550 MPa a 900 MPa, que es el mismo que en la condición forjada, e hizo que el material fuera mucho menos anisotrópico.
2. La tecnología de recristalización direccional se utiliza para hacer que el tamaño del grano sea más uniforme y la microestructura más uniforme.
El procedimiento de recristalización direccional del MIT controla el gradiente de temperatura (por ejemplo, dibujando a 2,5 mm/h a 1235 grados) para crear estructuras cristalinas columnares haciendo que los granos crezcan en una dirección determinada. Esta tecnología:
Para detener la fluencia, alinee los cristales columnares con el eje de tensión más alto, detenga el deslizamiento de los límites del grano a altas temperaturas y duplique la vida útil de las aleaciones de alta temperatura- basadas en níquel-.
Mejora de la resistencia a la fatiga: en el uso de álabes de turbinas de gas, la eliminación de los defectos de grano grueso y de dislocación aumenta la resistencia a la aparición de grietas por fatiga en un 60%.
3. Control de cambios de fase: solución sólida con tratamiento de envejecimiento
Para materiales como las aleaciones de aluminio, el tratamiento con solución (como mantenerlo a 540 grados durante 2 horas) interrumpe la fase de fortalecimiento. Luego, el tratamiento de envejecimiento (como mantenerlo a 155 grados durante 8 horas) hace que se formen precipitados a nanoescala (como la fase θ).
Equilibrio de resistencia y tenacidad: después del tratamiento térmico T6, el límite elástico de la aleación de aluminio F357 aumentó de 280 MPa a 380 MPa, pero el alargamiento se mantuvo igual en 12%.
El proceso URQ-HIP de Quintus Technologies combina una solución sólida y un tratamiento de alta-presión para evitar que los poros se vuelvan a abrir, lo que le da a la aleación de aluminio F357 una vida de fatiga más larga que las piezas fundidas estándar MMPDS.
3, Práctica de la ingeniería: transición del laboratorio a la industrialización
1. El ámbito aeroespacial
Siemens emplea SLM para imprimir hojas de aleación de alta temperatura-a base de níquel-. Luego, estas palas se tratan con HIP y recristalización dirigida para agregar complicados canales de enfriamiento, lo que hace que la turbina sea un 5% más eficiente y utilice un 3% menos de combustible.
Piezas estructurales livianas: el Boeing 787 cuenta con soportes de aleación de titanio impresos en 3D-que se calientan dos veces (HIP+envejecimiento) para hacerlos un 40% más resistentes y un 30% más livianos.
2. Industria de dispositivos médicos
Johnson&Johnson Medical recoció al vacío las articulaciones de la cadera impresas en 3D para eliminar la tensión residual de la superficie. Luego utilizaron pulido químico para suavizar la superficie hasta Ra0,8 μm y dar a los implantes una vida útil de fatiga de más de 20 años.
Diseño anti-fatiga: la técnica NAMP (regulación paso a paso-de defectos y tejidos-de la Academia China de Ciencias) ha elevado la resistencia a la fatiga por tracción del implante Ti-6Al-4V de 475 MPa a 978 MPa, el nivel más alto del mundo.
3. El tema de los equipos energéticos.
Reparación de turbinas de gas: el equipo del MIT arregló una cámara de combustión de aleación a base de níquel-impresa en 3D-mediante un tratamiento de recristalización dirigida. Este tratamiento hizo que la cámara fuera capaz de soportar 200 MPa de tensión a una temperatura alta de 650 grados y redujo la tasa de fluencia en un 80%.
Piezas de energía nuclear: el grupo EDF en Francia emplea un tratamiento HIP para imprimir en 3D uniones de tuberías de acero inoxidable. Esto elimina defectos internos y hace que las uniones sean más resistentes a la corrosión mediante un tratamiento de solución para cumplir con las normas de seguridad nuclear.