Fabricación aditiva con láser de materiales metálicos: evaluación y mejora de sus propiedades

Abstract

La manufactura aditiva (AM) de metales comprende un conjunto de técnicas enfocadas en la fabricación de piezas capa a capa, a partir de un diseño 3D. La AM presenta múltiples ventajas frente a otros procesos de fabricación entre las que destaca el que permite fabricar componentes con geometrías complejas, que no están al alcance de las técnicas convencionales. Además, el aumento de la complejidad de las piezas de AM no incrementa los costes de fabricación e incluso puede reducirlos. Este hecho acerca a la industria la fabricación de piezas topológicamente optimizadas, lo que, unido a la ausencia de moldes, reduce los costes de fabricación y el desperdicio de material. Otro beneficio de la AM es su capacidad para personalizar productos en diferentes campos, como el prototipado en la industria del automóvil, la industria aeroespacial, o en las industrias joyera y biomédica, en las que se requiere la fabricación de piezas únicas para casos específicos. Por otro lado, como desventaja la AM requiere una inversión inicial elevada. Además, las piezas metálicas impresas en 3D presentan defectos característicos que no están presentes con otras técnicas de fabricación. Los principales problemas son la porosidad inducida por la forma y el flujo del polvo, y la formación de tensiones residuales y el crecimiento de granos debido a los diferentes procesos consecutivos de fusión, refundición y tratamiento térmico, provocados por la deposición capa a capa. Otro inconveniente, común a todos los procesos de AM, es la presencia de una estructura en capas en toda la pieza fabricada debido al sistema de fabricación. Estos efectos pueden reducir ciertas propiedades del material, como su resistencia mecánica o su resistencia a la corrosión, por lo que es necesario encontrar formas de mejorar las propiedades de las piezas fabricadas. Las dos principales técnicas de AM en metales son: Laser Powder Bed Fusion (LPBF), también conocida como Selective Laser Melting (SLM), y Direct Laser Deposition (DLD). En la LPBF se utiliza un láser como fuente de energía para fundir el metal de cada capa en un lecho de polvo. Cada vez que se funde o sinteriza una capa, se baja la plataforma para depositar otra capa de polvo en el lecho y fundirla. Esta técnica necesita una atmósfera controlada para evitar la oxidación del metal, como argón o nitrógeno, o vacío. En la técnica DLD, la fusión y la deposición del polvo se producen al mismo tiempo mediante, normalmente, el uso de un láser. La deposición del material fundido se II realiza sobre una plataforma, que puede moverse sobre algunos ejes. Esta técnica también necesita un gas inerte para evitar la oxidación. En la fabricación aditiva, la tecnología y los parámetros de procesado son elementos clave que determinan las características de las muestras de un determinado material. Para distinguir los efectos de estas variables, se utilizó el mismo polvo de acero inoxidable AISI 316L (316L ss) con diferentes técnicas de AM. Las técnicas utilizadas son las más relevantes en la AM de metales, es decir, DLD con un láser de diodo de alta potencia y LPBF utilizando un láser de fibra y un láser de CO2, una técnica novedosa de la que aún no hay información en la bibliografía. La microestructura de todas las muestras mostraba una fase austenítica que era más gruesa con la técnica DLD que para las dos LPBF. La dureza de las muestras LPBF con láser de fibra fue la mayor, pero su resistencia a la flexión fue menor. En LPBF con piezas de láser de CO2, la porosidad y la falta de fusión redujeron la tensión máxima a fractura, pero la resistencia fue mayor que en las muestras LPBF de láser de fibra bajo ciertas estrategias de fabricación. Las probetas fabricadas por DLD mostraron una deformación de fractura mayor que el resto, manteniendo valores de resistencia elevados. En todos los casos se observaron superficies con grietas y se determinaron los mecanismos de fractura. Las condiciones de procesado se compararon mediante una metodología de parámetros normalizados, que también se ha utilizado para explicar las microestructuras observadas. Se han realizado ensayos de corrosión en las piezas de acero inoxidable 316L fabricadas por estos tres métodos diferentes. La menor resistencia a la polarización se encontró en las muestras fabricadas por LPBF con láser de CO2 debido a la presencia de poros y faltas de fusión. Sin embargo, la resistencia a la corrosión de las piezas fabricadas por LPBF con láser de CO2 mejoró al fabricar las piezas utilizando ángulos de rotación de 67˚ entre capas o cambiando el plano de construcción. Por otro lado, los mejores resultados se encontraron en las piezas fabricadas mediante LPBF con láser de fibra, debido a su estructura bien adherida y a su casi nula presencia de porosidad. Posteriormente, se evaluó el efecto de la rugosidad superficial en el comportamiento frente a la corrosión del acero inoxidable 316L fabricado mediante LPBF con un láser de fibra para averiguar si era necesario realizar postprocesamientos para mejorar el comportamiento de la superficie de las piezas as-built. Se comparó el comportamiento del acero as-built con el desbastado fino. Se utilizaron tres ambientes agresivos diferentes: solución acuosa de NaCl al 3,5% en peso, solución de H2SO4 al 3% en peso y oxidación a alta temperatura a 800 ˚C. Las muestras desbastadas mostraron una mayor III resistencia a la corrosión en los tres ambientes estudiados. Estos resultados confirmaron la necesidad de mejorar el comportamiento de las piezas as-built. Otra técnica de postprocesamiento utilizada consistió ensometer a muestras de acero inoxidable AISI 316L hechas por LPBF con láser de fibra a tratamientos térmicos de temperaturas comprendidas entre 400 °C y 1100 °C, y se estudió su comportamiento electroquímico en agua con 3.5 % de NaCl. Los tratamientos térmicos a 400 °C y 650 °C aumentaron el tamaño de grano y el tratamiento a 1100 °C provocó la formación de inclusiones de MnCr2O4. El tratamiento térmico a estas temperaturas redujo la dureza y aumentó la porosidad. El tratamiento térmico a 400 °C aumentó la resistencia a la polarización y mantuvo los mismos mecanismos de corrosión por picadura de las muestras as-built. Los tratamientos térmicos a temperaturas más elevadas redujeron la resistencia a la polarización, pero modificaron los mecanismos de corrosión. Estos resultados confirmaron la capacidad de ciertos tratamientos térmicos para mejorar la resistencia a la corrosión del acero 316L fabricado por LPBF. Como se ha visto, la presencia de defectos como la porosidad y las faltas de fusión pueden afectar negativamente a las propiedades de los materiales fabricados por LPBF. La optimización de las condiciones de fabricación permite reducir la proporción de defectos, pero existe un límite para cada material, proceso de fabricación, y técnica de postprocesamiento. Para ampliar los límites de fabricación, se ha utilizado una segunda pasada de láser después de cada capa de polvo en el proceso LPBF para fabricar muestras de aleación Ti6Al4V utilizando una impresora equipada con un láser de CO2. Se estudió el efecto de este método de procesamiento sobre la microestructura, los defectos, la dureza y, especialmente, las propiedades de corrosión. Se concluyó que la estrategia de refundición por láser provoca un incremento de las fases α y β a partir de la disolución de la fase metaestable α’. Esta técnica también provoca una disminución del número de defectos y una reducción de la dureza, que también se reducen con velocidades de pasada más bajas. Por otra parte, todos los ensayos de corrosión muestran que una velocidad de pasada baja y la estrategia de doble pasada de láser mejoran la resistencia a la corrosión de la aleación Ti6Al4V, ya que parámetros como el potencial de corrosión en circuito abierto (OCP) y la resistencia a la polarización (Rp) son más elevados y la ganancia de masa es menor. Por último, para comprender la capacidad de la AM para fabricar estructuras especiales, se ha fabricado por primera vez un material multicapa mediante LPBF combinando capas de acero inoxidable 316L IV y capas de una mezcla de acero inoxidable 316L ss con un 10% de la aleación Ti6Al4V cambiando dos parámetros importantes en la fabricación: la atmósfera (argón y nitrógeno) y la proporción de las capas con la composición de la mezcla (alternando bandas de 320 μm de 316L ss con bandas de 80 μm del polvo mezclado y bandas de 200 μm de 316L ss con bandas de 200 μm del polvo mezclado). En todos los multimateriales se encontró el intermetálico FeTi en las bandas compuestas por el polvo mezclado. Sin embargo, apareció intermetálico Fe2Ti junto con el FeTi cuando los multimateriales estaban compuestos por bandas de acero 316L de 200 μm con 200 μm del polvo mezclado. Estas capas intermetálicas tenían un comportamiento ferromagnético, con capacidad de orientar imanes en la dirección de la capa. La dureza de las muestras aumentó hasta 450 HV0.1 en las zonas de las bandas intermetálicas, que es significativamente superior a la dureza del acero 316L. Se realizaron ensayos de corrosión en los multimateriales encontrándose que las bandas intermetálicas son más nobles que las bandas de 316L ss. Por otro lado, se vio que las piezas con mejores resultados son las fabricadas en atmósfera de nitrógeno y que un incremento del tamaño de las bandas con composición del polvo mezclado provoca una reducción de la resistencia a la corrosión de las piezas multicapas. Esto indica que la AM puede fabricar piezas con propiedades superiores a las de los métodos convencionales, pero, en cualquier caso, las piezas metálicas impresas en 3D requieren de un postprocesamiento para mejorar sus propiedades.