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(Noticias de Nanowerk) Para aeronaves comerciales, buques de carga, plantas de energía nuclear y otras tecnologías críticas, la resistencia y la durabilidad son fundamentales. Por esta razón, muchos contienen una aleación notablemente fuerte y resistente a la corrosión llamada acero inoxidable de endurecimiento por precipitación (PH) 17-4. Ahora, por primera vez, el acero 17-4 PH se puede imprimir en 3D mientras conserva sus propiedades beneficiosas.
Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Universidad de Wisconsin-Madison y el Laboratorio Nacional Argonne han identificado ciertas composiciones de acero 17-4 que, cuando se imprimen, coinciden con las propiedades de la versión producida convencionalmente.
La estrategia de los investigadores, descrita en la revista Fabricación aditiva («Phase Transformation Dynamics Guided Alloy Development for Additive Manufacturing»), se basa en datos de alta velocidad sobre el proceso de impresión, que obtuvieron con rayos X de alta energía de un acelerador de partículas.
![Las micrografías una al lado de la otra muestran granos alargados dentro del acero inoxidable impreso en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id61514_1.jpg)
Los nuevos hallazgos podrían ayudar a los fabricantes de piezas de 17-4 PH a utilizar la impresión 3D para reducir costos y aumentar su flexibilidad de fabricación. El enfoque utilizado para estudiar el material en este estudio también puede sentar las bases para una mejor comprensión de cómo se imprimen otros tipos de materiales y se predicen sus propiedades y rendimiento.
A pesar de sus ventajas sobre la fabricación convencional, la impresión 3D de algunos materiales puede producir resultados demasiado inconsistentes para ciertas aplicaciones. La impresión en metal es particularmente compleja, en parte debido a los rápidos cambios de temperatura durante el proceso.
«Si piensa en la fabricación aditiva de metal, esencialmente estamos soldando millones de partículas diminutas y pulverizadas en una sola pieza con una fuente de alta potencia como un láser, fundiéndolas en un líquido y enfriándolas en un sólido», dijo el físico del NIST. Fan Zhang, coautor del estudio. «Pero la tasa de enfriamiento es rápida, a veces superior a un millón de grados Celsius por segundo, y esta condición de desequilibrio extremo crea una serie de desafíos de medición extraordinarios».
Debido a que el material se calienta y se enfría tan rápido, la disposición o estructura cristalina de los átomos dentro del material cambia rápidamente y es difícil de precisar, dijo Zhang. Sin entender qué le sucede a la estructura cristalina del acero cuando se imprime, los investigadores han luchado durante años para imprimir en 3D 17-4 PH, que necesita que la estructura cristalina sea la correcta, un tipo llamado martensita, para que el material revele sus características codiciadas. .
Los autores del nuevo estudio querían arrojar luz sobre lo que sucede durante los rápidos cambios de temperatura y encontrar una manera de empujar la estructura interna hacia la martensita.
Así como se necesita una cámara de alta velocidad para ver el aleteo de un colibrí, los investigadores necesitaban equipo especializado para observar los rápidos cambios estructurales que ocurren en milisegundos. Encontraron la herramienta adecuada para el trabajo en la difracción de rayos X sincrotrón, o XRD.
«En XRD, los rayos X interactúan con un material y forman una señal que es como una huella dactilar que corresponde a la estructura cristalina específica del material», dijo Lianyi Chen, profesora de ingeniería mecánica en UW-Madison y coautora del estudio.
En la Fuente Avanzada de Fotones (APS), un acelerador de partículas de 1.100 metros de largo en el Laboratorio Nacional de Argonne, los autores rompieron rayos X de alta energía en muestras de acero durante la impresión.
Los autores trazaron cómo cambió la estructura cristalina en el transcurso de una impresión y mostraron cómo ciertos factores sobre los que tenían control, como la composición del polvo metálico, afectaron el proceso general.
Si bien el hierro es el componente principal del acero 17-4 PH, la composición de la aleación puede contener cantidades variables de hasta una docena de elementos químicos diferentes. Ahora, armados con una imagen clara de la dinámica estructural durante la impresión como guía, los autores pudieron afinar la composición del acero para encontrar una gama de composiciones que contenían solo hierro, níquel, cobre, niobio y cromo que hacían esto. truco.
“El control de la composición es realmente la clave para las aleaciones de impresión 3D. Al controlar la composición, podemos controlar cómo se solidifica. También hemos demostrado que nuestras composiciones producen consistentemente acero 17-4 PH completamente martensítico en una amplia gama de velocidades de enfriamiento, digamos entre 1000 y 10 millones de grados Celsius por segundo”, dijo Zhang.
Como beneficio adicional, algunas composiciones dieron como resultado la formación de nanopartículas inductoras de resistencia que, con el método tradicional, requieren que el acero se enfríe y luego se vuelva a calentar. En otras palabras, la impresión 3D podría permitir a los fabricantes saltarse un paso que requiere equipo especializado, tiempo adicional y costos de producción.
Las pruebas mecánicas mostraron que el acero impreso en 3D, con su estructura de martensita y nanopartículas que inducen la resistencia, igualaba la resistencia del acero fabricado por medios tradicionales.
El nuevo estudio también podría causar sensación más allá del acero 17-4 PH. El enfoque basado en XRD no solo podría usarse para optimizar otras aleaciones para la impresión 3D, sino que la información obtenida de él también podría ser útil para construir y probar modelos informáticos destinados a predecir la calidad de las piezas impresas.
“Nuestro 17-4 es confiable y repetible, lo que reduce la barrera para el despliegue comercial. Al seguir esta composición, los fabricantes deberían poder imprimir estructuras 17-4 que funcionen tan bien como las piezas fabricadas tradicionalmente”, dijo Chen.
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