Perspectivas sobre la tensión y la orientación en la manufactura aditiva por láser

La Fabricación Aditiva con Láser (LAM) es un método de fabricación que construye piezas de metal capa por capa. Este método permite crear formas complejas que son difíciles de lograr con la fabricación tradicional. Sin embargo, LAM puede generar problemas. El enfriamiento rápido del metal puede crear estructuras no deseadas y altas tensiones internas, lo que debilita el producto final. Para mejorar estos productos, es importante evaluar su rendimiento mecánico sin dañarlos.

En este estudio, usamos Microscopia de Rayos X en Campo Oscuro (DFXM) para examinar de cerca las estructuras internas de una superaleación de níquel hecha a través de Deposición de Energía Dirigida (DED), un tipo de LAM. DFXM nos permite ver cómo están orientados los Granos internos del metal y cómo se deforman a lo largo del material. Nuestros hallazgos muestran que la estructura interna no es uniforme. El grano tiene pequeñas celdas que miden aproximadamente 5 micrómetros y presentan diferentes niveles de deformación y orientación.

#El Desafío de la Fabricación Aditiva con Láser

LAM usa un láser para fundir y fusionar polvo o alambre de metal en formas. Esta técnica es beneficiosa para industrias como la aeroespacial y la medicina porque puede producir piezas con diseños únicos y en números de producción bajos. DED-LAM, en particular, es prometedor porque permite crear piezas grandes e incluso reparar componentes existentes.

Sin embargo, LAM enfrenta problemas que pueden afectar el rendimiento mecánico de las piezas producidas. El enfriamiento del metal ocurre a tasas mucho más rápidas que las que se ven en la fabricación tradicional. Este enfriamiento rápido puede causar defectos en el material, provocando tensiones internas significativas y un alto número de dislocaciones. Estas tensiones pueden resultar en problemas como agrietamiento y pérdida de forma, por eso es vital entender el estado de Tensión del material.

#Métodos de Caracterización de Materiales

Para caracterizar la estructura interna de las piezas fabricadas aditivamente, se usa comúnmente la Difracción de Retrodispersión Electrónica (EBSD). Este método brinda información sobre la estructura, orientación y deformación del material, pero requiere cortar y pulir la muestra, lo que puede cambiar sus propiedades. Por eso, no puede proporcionar una imagen completa del comportamiento del material.

Métodos no destructivos como la imagenología de rayos X en sincrotrón pueden capturar características como porosidad y áreas no unidas en muestras más grandes. Aunque estos métodos brindan información valiosa, no proporcionan datos sobre deformación u orientación.

En los últimos años, técnicas avanzadas como la Difracción de Rayos X 3D (3DXRD) y la Tomografía de Contraste por Difracción (DCT) se han utilizado para el mapeo de la estructura granular. Sin embargo, estos métodos tienen limitaciones en resolución espacial, lo que dificulta el análisis de detalles más pequeños dentro de los granos.

DFXM presenta una solución a estos desafíos. Es una técnica poderosa para examinar la deformación interna y la orientación en materiales cristalinos con resolución muy alta. Usando DFXM, podemos construir una imagen detallada de la microestructura y cómo se relaciona con el proceso de fabricación.

#Hallazgos Interesantes de DFXM

Usando DFXM, analizamos un grano dentro de una superaleación de níquel producida a través de DED-LAM. Nuestro examen reveló variaciones detalladas en deformación y orientación en todo el grano. Comparamos estos resultados de DFXM con los obtenidos de mediciones EBSD del mismo grano.

Nuestras observaciones de DFXM indican que la microestructura interna tiene formas distintivas en bandas que se alinean a lo largo de la longitud del grano. Dentro de estas bandas, encontramos celdas más pequeñas separadas por límites de bajo ángulo, lo que muestra una relación compleja entre deformación y orientación. Estos hallazgos nos ayudan a conectar los procesos físicos en juego durante el enfriamiento rápido del material con las estructuras internas resultantes.

#Cómo se Forman las Microestructuras Durante la Fabricación

La formación de estructuras internas complejas es influenciada por varios factores durante el proceso de fabricación. El enfriamiento rápido causa grandes cambios de volumen en el material. Para acomodar estos cambios, se crean muchas dislocaciones, lo que lleva a la formación de celdas pequeñas dentro del grano.

Los resultados de DFXM muestran que estas celdas suelen ser menores de 5 micrómetros. El enfriamiento rápido también limita la movilidad de las dislocaciones, lo que evita que se reorganicen en estructuras más grandes. En cambio, observamos límites distintivos y orientaciones únicas dentro del grano, lo que sugiere que las condiciones de enfriamiento y solidificación conducen a microestructuras específicas.

#El Papel de las Tensiones Residuales

Las tensiones internas creadas durante el proceso de solidificación pueden tener un impacto significativo en las propiedades finales del material. En nuestros hallazgos, notamos áreas dentro del grano que mostraban tensiones de compresión y tracción alternadas. Estas variaciones de tensión corresponden con los patrones de orientación alternados, indicando un vínculo estrecho entre los dos fenómenos.

La presencia de altas tensiones residuales, especialmente alrededor de los límites del grano, puede llevar a concentraciones de tensión y afectar el comportamiento mecánico general del material. Tales tensiones incluso pueden extenderse dentro del grano, creando sitios potenciales para fallos durante el uso.

#Entendiendo la Distribución de Tensiones

Cuando miramos la distribución de tensiones dentro del grano, podemos ver que ciertas áreas tienen tensiones residuales altamente acumuladas. Estos patrones de tensión generalmente corresponden a las características microestructurales identificadas a través de DFXM. Las distribuciones de tensión muestran regiones donde el material está bajo tensión y compresión, resaltando la necesidad de considerar tanto los efectos térmicos como químicos durante el proceso de solidificación.

Curiosamente, aunque tanto las técnicas DFXM como EBSD proporcionan información valiosa sobre la distribución de tensión, DFXM muestra variaciones más localizadas y complejas que no siempre son visibles con EBSD. Esto enfatiza las ventajas de usar DFXM para entender los detalles intrincados de la microestructura en piezas fabricadas aditivamente.

#El Futuro de los Materiales Fabricados con Láser

Este estudio resalta las variaciones sub-superficiales detalladas en tensiones y orientaciones de un grano en una muestra fabricada aditivamente. El uso exitoso de DFXM nos permite examinar redes complejas de tensión y orientación de manera no invasiva. Nuestras observaciones sugieren que las intrincadas estructuras en bandas formadas durante la fabricación pueden impactar significativamente las propiedades mecánicas del material.

A medida que el proceso de fabricación sigue evolucionando, entender las conexiones entre microestructura y rendimiento se vuelve crucial. Los conocimientos obtenidos de DFXM pueden ayudar a informar futuras mejoras en el diseño de tratamientos térmicos y otros procesos de fabricación.

Este enfoque puede llevar a mejores parámetros de entrada para modelar el comportamiento mecánico, mejorando la calidad y rendimiento general de los componentes fabricados aditivamente. Más estudios usando DFXM probablemente ampliarán nuestro conocimiento sobre cómo optimizar los procesos de fabricación y los tratamientos de materiales en aplicaciones futuras.