La imagen del microscopio electrónico muestra la transición de gradiente completa de In718 a C103 y un gran aumento que destaca la transición de composición libre de defectos. Fuente: Tracie Lowe, Andres Marquez Rossy/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
La investigación de una tecnología nueva y única para producir piezas metálicas compuestas para una amplia gama de aplicaciones que operan en entornos extremos en las industrias aeroespacial y energética es prometedora para la fabricación aditiva.
Desarrollada por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, esta técnica permite el diseño de piezas compuestas con composición graduada. Estos componentes van desde superaleaciones de alta resistencia hasta aleaciones refractarias que pueden soportar temperaturas extremadamente altas, por lo que no es necesario soldar.
Si bien las superaleaciones y las aleaciones refractarias generalmente no se pueden soldar ni unir, muchas aplicaciones requieren materiales con propiedades de resistencia y alta temperatura específicas del sitio.
“Podemos permitir la creación de composiciones que pasen sin problemas de una aleación a otra”, dijo Soumya Nag, científico de materiales de ORNL que lidera la investigación. “Podemos ajustar una pieza compuesta que podemos graduar de un extremo al otro y tener alta resistencia y resistencia a altas temperaturas en cada lado”.
El secreto está en la “salsa”.
“Es como cocinar. Básicamente tienes diferentes ingredientes. Entonces, si tiene más pasta de un lado y más risotto del otro, ¿cómo sigue cambiando de pasta a risotto? Cambias los ingredientes a medida que avanzas de un extremo al otro, y eso es lo que estamos haciendo”, dijo Nag.
La salsa en este caso es un polvo que consta de una tercera aleación de transición que tiene propiedades ligeras o de alta temperatura. Nag y los miembros del equipo utilizaron un método de fabricación aditiva llamado deposición de energía dirigida para depositar varias composiciones de polvo en un entorno de argón inerte, variando la tasa de deposición a medida que avanzaban.
Nag dijo que para la mayoría de las aplicaciones estructurales, a menudo se usa una sola composición de aleación para producir componentes destinados a entornos corrosivos, de alta temperatura o de radiación, pero el proceso es costoso y reduce la productividad. Para los componentes que requieren propiedades muy diversas, a menudo se producen piezas soldadas hechas de diferentes materiales, lo que genera interfaces abruptas que pueden afectar negativamente el rendimiento.
En el último estudio, los investigadores utilizaron polvos de Inconel 718, una aleación a base de níquel, y C103, una aleación a base de niobio. Estas aleaciones, una de alta resistencia y la otra resistente al calor, no están dispuestas a fusionarse y tienden a formar grietas cuando lo hacen. Pero mediante el uso de una máquina de deposición de haz de energía para soplar los polvos y cambiando la tasa de flujo de los polvos, los científicos pueden cambiar la composición de los metales combinados para que tengan las propiedades beneficiosas de ambos.
Los científicos diseñaron una verdadera ruta de gradiente no lineal mediante la combinación de termodinámica computacional de última generación con datos experimentales recopilados con herramientas de caracterización de alto rendimiento a múltiples escalas. De esta forma, pudieron sortear los problemas de soldadura y unir superaleaciones normalmente no soldables con aleaciones refractarias.
El equipo analizó los estados de tensión de estas estructuras integradas utilizando estudios de difracción de neutrones en ORNL, validando el diseño computacional de la aleación. Actualmente se están generando modelos de piscinas fundidas, térmicas y de deformación basadas en datos experimentales.
“Pocos métodos de fabricación aditiva tienen esta capacidad de mezclar polvos en movimiento durante la construcción”, dijo Nag. “Esta es una característica única que permite soplar polvos a diferentes velocidades. Ahora es posible realizar una transición de temperatura de una aleación de níquel de temperatura relativamente baja a una aleación de niobio de temperatura extremadamente alta sin ningún problema”.
Las aplicaciones de la tecnología incluyen motores de cohetes en el espacio, fabricación aeroespacial, fabricación de reactores de fusión y fisión, aplicaciones marinas, sistemas de energía renovable, en cualquier lugar donde existan entornos extremos, dijo Nag.
“Nos estamos moviendo hacia un futuro donde los componentes personalizados con la combinación perfecta de rendimiento de componentes individuales con costos de producción reducidos se pueden incorporar en una amplia gama de aplicaciones”, dijo. “Esto podría cambiar la forma en que se fabrican los componentes para condiciones extremas”.
Nag ha presentado una solicitud de patente provisional para los materiales utilizados y el proceso de fabricación. Los científicos de ORNL Brian Jordan, Ke An, James Haley, Yousub Lee y Jaimie Tiley participan en la investigación. Los miembros del equipo de investigación verdaderamente interdisciplinarios de todo ORNL aportan experiencia en ciencias físicas, ciencias y tecnología de la energía, ciencias de neutrones y ciencias informáticas y computacionales.