El segundo artículo de Science sobre la tecnología de impresión 3D en 2024 se publicó el 8 de febrero.

proceder de (un lugar)Universidad de Queensland, Australia(Jingqi Zhang et al,)Universidad de Chongqing(Ziyong Hou, Xiaoxu Huang),Universidad Técnica de DinamarcaEl equipo conjunto publicó un artículo titulado "Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design". Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design".La aleación de titanio preparada mediante impresión 3D alcanzaCon un límite elástico de 926 MPa y una ductilidad de 261 TP3T, se consigue un equilibrio entre resistencia y ductilidad.

Antecedentes de la investigaciónDurante la impresión 3D de metales suelen aparecer granos columnares gruesos y fases distribuidas de forma irregular, lo que da lugar a propiedades mecánicas desiguales o incluso deficientes. La investigación incluye una estrategia de dise?o que permite un enfoque directo para la obtención de alta resistencia y propiedades consistentes de aleaciones de titanio mediante impresión 3D. Se demostró que la adición de molibdeno (Mo) a las mezclas de polvo metálico aumentaba la estabilidad de las fases y mejoraba la uniformidad de las propiedades de resistencia, ductilidad y tracción de las aleaciones impresas en 3D.Un artículo de revisión de Science en el mismo número se?alaba que la metodología es prometedora para aplicarla a otras mezclas de polvo y poder adaptar diferentes aleaciones con propiedades mejoradas.

La principal razón de las propiedades no uniformes de las aleaciones metálicas impresas en 3D son: En un proceso de impresión 3D capa por capa, normalmente con 10³-10⁸La elevada velocidad de enfriamiento de K/s crea un importante gradiente térmico cerca del borde y el fondo del ba?o de fusión, donde se funde el polvo metálico. El gradiente térmico induce el crecimiento de granos epitaxiales a lo largo de la interfaz entre el material recién fundido y el material sólido que se encuentra debajo, y los granos crecen hacia el centro del ba?o de fusión. Los ciclos de calentamiento y refundición parcial durante la impresión multicapa conducen en última instancia a la formación de grandes granos columnares y fases distribuidas de forma desigual, ambos indeseables porque pueden provocar anisotropía y degradación de las propiedades mecánicas.

Resistencia-ductilidad de diversos materiales metálicos

Las aleaciones de titanio son uno de los materiales metálicos para impresión 3D más utilizados. En aplicaciones de ingeniería a temperatura ambiente, las aleaciones de titanio adecuadas suelen presentar un alargamiento a la tracción del 10-25%, lo que refleja una buena fiabilidad del material. Aunque un mayor alargamiento (ductilidad) facilita el conformado y es preferible en algunas aplicaciones, a menudo se prefiere una mayor resistencia en este rango de alargamiento para soportar cargas mecánicas. El equilibrio entre resistencia y ductilidad siempre ha tenido que tenerse en cuenta tanto en las técnicas convencionales como en las de fabricación aditiva para procesar materiales metálicos.

Estrategias y limitaciones para mejorar la resistencia y la ductilidad

Existen varias estrategias para mejorar la resistencia y la ductilidad de las aleaciones impresas en 3D. Entre ellas figuran la optimización del dise?o de la aleación, el control del proceso, el refuerzo de los límites de grano fino y la modificación de la microestructura del grano, pero también la supresión de fases no deseadas (frágiles), la introducción de segundas fases y el postratamiento. Actualmente, la investigación para abordar los problemas de los cristales columnares y las fases indeseables se centra en el dopado in situ de elementos para modificar la microestructura y la composición de las fases. Este enfoque también favorece la formación de cristales isométricos, es decir, estructuras con tama?os de grano aproximadamente iguales a lo largo de los ejes longitudinal y transversal. La aleación in situ ofrece una vía prometedora para superar el equilibrio entre resistencia y ductilidad.Especialmente en tecnologías de impresión 3D como la fusión de lecho de polvo y la deposición de energía dirigida..

Los investigadores han estudiado la morfología del grano y las propiedades mecánicas al a?adir distintos elementos a aleaciones impresas en 3D. Por ejemplo, el dopaje de partículas nanocerámicas de hidruro de circonio en aleaciones de aluminio no imprimibles dio lugar a materiales imprimibles y sin grietas con una microestructura de grano equiaxial refinada y propiedades de tracción comparables a las de los materiales forjados. Sin embargo, en el caso de las aleaciones de titanio, los refinadores de grano disponibles en el mercado suelen tener un efecto limitado sobre la estructura del grano. Los mecanismos de refinamiento de las aleaciones de titanio, en particular la transición columnar a isométrica durante la solidificación por impresión 3D, se han estudiado ampliamente, pero siguen existiendo limitaciones de eficiencia. Los intentos de superar este obstáculo incluyen la variación de los parámetros de procesamiento, las aplicaciones de ultrasonidos de alta intensidad, la introducción de estructuras heterogéneas deseadas mediante el dise?o de la aleación, la adición de solutos como refinadores de grano en los sitios de nucleación heterogénea , y la incorporación de solutos con alta capacidad de superenfriamiento. Elementos como los estabilizadores β-eutécticos Cu, Fe, Cr, Co y Ni, que limitan la solubilidad en titanio.

Nuevas investigaciones conducen a grandes avancesEn lugar de utilizar elementos estabilizadores β-eutécticos, que pueden provocar la formación de eutécticos intermetálicos quebradizos en las aleaciones de titanio, los investigadores eligieron Mo del grupo β-homocristalino [que incluye niobio (Nb), tántalo (Ta) y vanadio (V)] para Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr). Durante el proceso de aleación in situ, el molibdeno se transporta con precisión al ba?o fundido y actúa como núcleo semilla para la formación de cristales y el refinamiento durante cada capa de barrido.El aditivo Mo favorece la transición de grandes cristales columnares a finas estructuras equiaxiales y columnares estrechas.El Mo también estabiliza la fase β deseada e inhibe la formación de heterogeneidad de fases durante los ciclos térmicos.

Caracterización de la aleación de titanio Ti-5553 dopada con Mo

Los investigadores compararon el límite elástico y el alargamiento a la rotura del Ti-5553+5Mo con el Ti-5553 (así como con el Ti-55531 y el Ti-55511) fabricado en el estado L-PBF y sometido a un tratamiento térmico posterior a la impresión. En comparación con el Ti-5553 y sus aleaciones similares en estado fabricado, el Ti-5553+5Mo muestra un límite elástico comparable pero una ductilidad significativamente mejorada. El tratamiento térmico posterior a la impresión se utiliza habitualmente para equilibrar las propiedades mecánicas del Ti-5553 producido con L-PBF. Aunque pueden alcanzarse altos límites elásticos (>1100 MPa) en determinadas condiciones de tratamiento térmico, la ductilidad suele deteriorarse significativamente con un alargamiento a la rotura <10%, lo que limita su uso en aplicaciones críticas para la seguridad. Por ejemplo, el Ti6Al4V, el denominado caballo de batalla de la industria del titanio, tiene un alargamiento de rotura mínimo recomendado de 101 TP3 T. En cambio, sin necesidad de un tratamiento térmico posterior, las piezas impresas directamente del material Ti-5553+5Mo, L-PBF, presentan un excelente equilibrio entre resistencia y ductilidad, lo que las hace destacar entre aleaciones similares. Finalmente, los investigadores utilizaron esta estrategia para fabricarMaterial con excelente uniformidad de propiedades, límite elástico 926MPa, alargamiento a la rotura 26%.

Microestructura y propiedades mecánicas del Ti-5553 producido por L-PBF

Propiedades mecánicas de Ti-5553 y Ti-5553+5Mo producidos por L-PBF

Las propiedades mecánicas del Ti-5553+5Mo fueron excepcionalmente homogéneas y mejoraron con respecto a las del Ti-5553. El escaneado mediante tomografía computerizada microfocalizada (micro-CT) para evaluar la calidad de las piezas reveló que ambos materiales presentaban densidades muy elevadas, con fracciones totales de volumen de poros de 0,004024% y 0,001589%, respectivamente. Dichas densidades elevadas sugieren que es poco probable que la porosidad dé lugar a las propiedades de tracción altamente dispersas del Ti-55333 y también son coherentes con un alto grado de consistencia en las propiedades mecánicas del Ti-5553+5Mo. +5Mo alta consistencia de las propiedades mecánicas. Para revelar el efecto de la adición de Mo en la estructura de los granos, los investigadores realizaron una caracterización por difracción de electrones retrodispersados (EBSD) del Ti-5553 y del Ti-5553 dopado con Mo. La microestructura del Ti-5553 consiste en granos relativamente grandes a lo largo de la dirección de barrido, que presentan una fuerte trama cristalina. La adición de 5,0 wt% Mo al Ti-5553 produce cambios significativos en la estructura de grano y en la estructura cristalina asociada. Son muy visibles numerosos granos equiaxiales finos (~20 μm de diámetro), que se forman a lo largo de los bordes de las pistas de barrido del Ti-5553+5Mo. Por el contrario, la microestructura del Ti-5553+5Mo se caracteriza por granos equiaxiales finos y cristales columnares estrechos a lo largo de la dirección tectónica. Un examen más detallado de la microestructura revela una distribución periódica de finos granos columnares. A diferencia de los cristales columnares altamente entretejidos que abarcan múltiples capas en el Ti-5553, la escala de longitud de los cristales columnares en el Ti-5553+5Mo viene determinada por el tama?o del ba?o de fusión, y el entretejido cristalino se vuelve aleatorio y débil .

Caracterización microestructural de Ti-5553 y Ti-5553+5Mo

Análisis de fase del Ti-5553 y del Ti-5553 dopado con molibdeno

Caracterización EBSD de probetas de fractura fabricadas con Ti-55535FIN

Sin embargo, los investigadores identificaron partículas de molibdeno no disueltas en la microestructura y se desconoce su posible impacto. De hecho, la presencia aleatoria de partículas no disueltas en las estrategias de aleación in situ plantea problemas relacionados con las propiedades mecánicas y de corrosión. Por ejemplo, la fusión completa de las partículas de aleación a?adidas in situ puede requerir una mayor energía, y el sobrecalentamiento puede provocar cambios microestructurales y el deterioro de las propiedades mecánicas. Además, se desconocen las propiedades dinámicas de fatiga y corrosión causadas por las partículas de Mo no disueltas. Aunque el tratamiento térmico posterior a la impresión puede eliminar las partículas no disueltas, puede alterar la microestructura, lo que puede afectar a las propiedades mecánicas.

En general, la estrategia de dise?o propuesta en este estudio científico abre vías para explorar diferentes materias primas de polvo metálico, diferentes sistemas de aleación imprimibles, diferentes técnicas de impresión 3D e impresión multimaterial avanzada. También inhibe la formación de granos columnares y evita las indeseables inhomogeneidades de fase. Estos problemas surgen debido a las diferentes distribuciones térmicas, en las que influyen los parámetros de impresión de cada polvo. La estrategia también supera el equilibrio entre resistencia y ductilidad en el estado impreso, minimizando la necesidad de tratamientos posteriores a la impresión, ventajas que sin duda provocarán un auge de la investigación en el campo de la impresión 3D.