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(noticias nanowerk) Se estima que más del 80% de los fallos técnicos se deben a la fatiga del material. Por lo tanto, la lucha contra la falla por fatiga del metal continúa, ya que es un parámetro clave para estructuras livianas para todos los sistemas mecánicos, como aviones, automóviles y sistemas de generación de energía.
Recientemente, una investigación conjunta de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) y la Universidad Jiao Tong de Shanghai logró un gran avance al utilizar técnicas avanzadas de impresión 3D para crear una aleación de aluminio con una resistencia a la fatiga sin precedentes. La nueva estrategia de resistencia a la fatiga se puede aplicar a otras aleaciones impresas en 3D para respaldar el desarrollo de componentes livianos con mayor eficiencia de carga para diversas industrias.
Las tesis centrales
![Microestructura de una aleación AM NTD-Al impresa en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id63925_1.jpg)
Investigación
“El fenómeno de la fatiga en los metales fue descubierto hace unos dos siglos. Desde entonces, la falla por fatiga se ha convertido en uno de los problemas más importantes que afectan la vida útil y la confiabilidad de todos los sistemas mecánicos dinámicos, como aviones, automóviles y plantas de energía nuclear”, afirmó el profesor Lu Jian, decano de la Facultad de Ingeniería y director de la sucursal de Hong Kong del Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Materiales de Metales Preciosos (NPMM) en CityU, quien codirigió la investigación.
Los metales convencionales generalmente tienen una resistencia a la fatiga inferior a la mitad de su resistencia a la tracción. «La baja resistencia a la fatiga se debe principalmente a defectos de múltiples escalas en los materiales que continúan creciendo y desarrollándose bajo cargas cíclicas, formando grietas macroscópicas y eventualmente expandiéndose en grietas más grandes que destruyen toda la estructura del material», explicó. «Este desafiante fenómeno también ocurre en aleaciones producidas mediante fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, lo que limita futuras aplicaciones de materiales impresos en 3D».
Para resolver el problema de la baja resistencia a la fatiga en aleaciones impresas en 3D y todos los materiales metálicos en general, un equipo de investigación conjunto de CityU y la Universidad Jiao Tong de Shanghai utilizó Laser Powder Bed Fusion (LPBF), una de las técnicas de fabricación aditiva de metales más utilizadas. producir con éxito un nuevo tipo de aleación de aluminio a partir de AlSi10Polvos de magnesio decorados con TiB2 Nanopartículas. La resistencia a la fatiga de esta nano TiB impresa en 3D2-decorado AlSi10El Mg (aleación NTD-Al) es más del doble que el de otras aleaciones de aluminio impresas en 3D y supera el de las aleaciones forjadas de IA de alta resistencia.
Los resultados fueron publicados en Materiales naturales(“Lograr una resistencia a la fatiga ultraalta en AlSi10Aleación de Mg mediante fabricación aditiva”). Y aparecieron en «Research Highlights». Ciencia Lograr una resistencia a la fatiga extremadamente alta en AlSi10Aleación de Mg mediante fabricación aditiva, descrita como una estrategia general para que otras aleaciones aumenten la resistencia a la fatiga.
El equipo examinó esta aleación NTD-Al impresa en 3D mediante tomografía microcomputada y encontró una nanoestructura celular bifásica continua típica en 3D en toda la muestra, que consiste en una red de estructuras celulares solidificadas con un diámetro promedio de aproximadamente 500 nanómetros. La nanoestructura celular de dos fases 3D actúa como una fuerte nanojaula volumétrica para evitar la acumulación localizada de daños y evitar la formación de grietas por fatiga.
«La red tridimensional de silicio nanoeutéctico (Si) creada mediante la fabricación aditiva dentro de la aleación debido a la rápida solidificación podría bloquear el movimiento de las dislocaciones, suprimiendo así la formación de grietas por fatiga», dijo el profesor Lu. «Con defectos controlados mediante la optimización del proceso, el límite de fatiga de la aleación de Al NTD en masa es mayor que el de todas las aleaciones de Al existentes».
En una serie de pruebas de fatiga, el equipo de investigación descubrió que la aleación a granel NTD-Al impresa lograba una resistencia a la fatiga de 260 MPa, más del doble que otras aleaciones de Al para fabricación aditiva. El límite de alta resistencia a la fatiga de la aleación a granel NTD-Al excedió el de todas las demás aleaciones de Al, incluidas las aleaciones forjadas de Al convencionales de alta resistencia con defectos metalúrgicos limitados.
La aleación NTD-Al ya se ha utilizado para producir prototipos de grandes estructuras de paredes delgadas, incluidas aspas de ventiladores de motores de aviones, diseñadas para una alta resistencia a la fatiga, y ha superado con éxito la prueba de fatiga de calificación.
“Estos resultados indican la aplicabilidad potencial de nuestra aleación para estructuras livianas requeridas en industrias donde las propiedades de fatiga son el criterio de diseño más importante. Nuestra aleación puede contribuir a la reducción de peso al aumentar la eficiencia de carga de los componentes móviles”, añadió el profesor Lu.
Combinado con los beneficios de la impresión 3D, el último descubrimiento promoverá la construcción liviana y reducirá las emisiones de CO2 en las industrias modernas. Y la misma estrategia también se puede aplicar a otros materiales para resolver el problema de la falla por fatiga en la fabricación aditiva de metales”, concluyó el profesor Lu Jian.
El estudio fue una colaboración entre los equipos del profesor Wang Haowei y el profesor Lu. Los coprimeros autores del artículo son el Dr. Dan Chengyi, el profesor asistente Cui Yuchi, el profesor asociado Wu Yi y el profesor Chen Zhe de la Universidad Jiao Tong de Shanghai. Los coautores correspondientes son el profesor Lu de CityU y el profesor Chen. También participó en el estudio el Dr. Liu Hui, ex postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de CityU.
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