Avances en Bimetálico

Las capacidades de deposición bimetálica se mencionan con frecuencia como la razón principal para el uso de deposición de energía dirigida (DED) en diversas industrias. La combinación de múltiples materiales en una pieza sólida abre la posibilidad de mejorar el rendimiento al elegir intencionalmente las propiedades del material de acuerdo con las propiedades de rendimiento requeridas en diferentes áreas de la pieza de trabajo. Este beneficio se acelera cuanto más diferentes son los metales combinados y más se pueden modificar las propiedades de las piezas.

Históricamente, el uso de cobre en DED ha sido limitado debido a su naturaleza reflectante. Nuevas estrategias de proceso han permitido la adopción temprana del revestimiento de componentes de cobre. Sin embargo, las geometrías más complejas y el alto coste del material del cobre hacen deseable depositar también cobre. Los avances recientes en la industria del láser hacen posible utilizar láseres azules en máquinas DED que permiten la deposición de aleaciones de cobre más avanzadas, así como de cobre puro.

Utilizando láseres infrarrojos (IR = 1.040 nm), el coeficiente de absorción del cobre puro es sólo de aproximadamente el 2%. Por ello se han utilizado aleaciones de cobre que aumentan la absorción, como CuAl10, CuSn8, CU18150 y otras. Aún así, la absorción está muy por debajo de la de los aceros más comúnmente utilizados y, por lo tanto, los láseres de alta potencia superiores a 3.000 W encuentran un buen uso en tales aplicaciones. Además, el precalentamiento del sustrato de cobre y las estrategias avanzadas de revestimiento que utilizan ángulos de deposición más efectivos han tenido éxito en los últimos años.

Las aplicaciones típicas se centran en revestir Inconel sobre un sustrato de cobre en diversas aplicaciones espaciales, más comúnmente boquillas de cohetes. Por ejemplo, la Figura 1 muestra la configuración de un revestimiento de cobre fabricado en CU18150 en un sistema de fusión de lecho de polvo por láser (LPBF) (LASERTEC 30 DUAL SLM de DMG Mori) sujeto al husillo principal de la máquina giratoria de cinco ejes. Fresadora híbrida LASERTEC 3000 DED. El revestimiento de cobre del CU18150 se construyó utilizando un láser de 1000 W en el sistema LPBF y se agregaron canales de enfriamiento abiertos alrededor del diámetro exterior. Se utilizó un láser de 3000 W en la máquina híbrida-DED para depositar Inconel 625 alrededor de la circunferencia y cerrar los canales de refrigerante en consecuencia. El reflejo del revestimiento de cobre es un desafío para establecer un proceso estable que conduzca a una unión adecuada del material.

Con la estrategia de deposición correcta y una trayectoria de herramienta avanzada creada en un programa CAM de cinco ejes como Siemens NX, se pueden lograr resultados exitosos como se muestra en la Figura 2. Se aplica una capa consistente de Inconel alrededor de la circunferencia y el análisis microestructural muestra una buena unión entre los sustrato de cobre y la capa de Inconel.

Al utilizar una combinación de un sistema LPBF y un sistema DED, el tamaño de dichos componentes se limita a tamaños envolventes típicos de un pie cúbico, o un poco más grandes en desarrollos de máquinas más recientes. Para cumplir con los requisitos de la industria espacial, es deseable utilizar toda la gama de máquinas híbridas DED que abarcan diámetros de hasta 1250 mm y longitudes de piezas de hasta 6000 mm entre husillos. En consecuencia, un sistema DED que pueda depositar cobre y, por lo tanto, construir el revestimiento de cobre en la misma envoltura presenta una tremenda oportunidad para componentes espaciales más avanzados con beneficios económicos muy atractivos.

Los avances recientes en la industria del láser proporcionan láseres de diodo con mayor potencia láser en rangos de longitud de onda alternativos. En particular, los láseres de luz verde y azul en el espectro de luz visible sólo recientemente se han vuelto económicamente viables. La Figura 3 muestra la ventaja de utilizar láseres de luz azul en un espectro de longitud de onda de 450 nm en comparación con los láseres IR que oscilan entre 900 y 1070 nm. Los láseres azules (450 nm) muestran un mayor avance con respecto a los láseres verdes (515 nm). La absorción de energía mejora en todos los metales, y las ganancias más significativas se obtienen en el cobre.

Una comparación de los elementos base hierro, níquel y cobre muestra una absorción mejorada. El cobre apenas absorbe luz en el espectro IR y alcanza el mismo nivel de absorción que el níquel y el hierro en el espectro de longitud de onda azul. Además, el níquel absorbe la luz con una eficiencia un 19% mayor en el rango del láser azul. Como resultado, la deposición de cobre puro y aleaciones de cobre de baja aleación como CU18150 se vuelve factible en el proceso DED.

El impacto en los resultados de la deposición es notable, como se muestra en las imágenes microscópicas de la Figura 4. Se comparan dos aleaciones: una es una aleación de cobre de baja aleación, bronce aluminio CuAl1 (1 por ciento en peso de Al, >96 por ciento en peso de Cu); el otro es cobre puro. Ambas aleaciones se depositan mediante un láser IR y un láser azul. Se puede ver claramente que el láser IR ya está luchando con el bronce de aluminio para que se creen poros a lo largo de las líneas de separación de cada capa depositada.

Al observar el cobre puro, el láser IR no logra depositar el material correctamente. La falla de unión está presente a lo largo de las líneas de cada capa depositada, así como entre los cordones de soldadura. Los cordones de soldadura apenas se adhieren, lo que provoca la separación de los cordones y las capas. Mientras tanto, el láser azul forma una deposición constante tanto del bronce de aluminio como del cobre puro. Los resultados se han replicado con varias aleaciones de cobre, así como en sustratos que van desde acero hasta cobre.

La industria espacial se beneficia enormemente de la posibilidad de combinar materiales como el cobre y el Inconel. Principalmente, para mejorar la refrigeración de los componentes de propulsión, como propulsores y toberas de cohetes, se utiliza cobre y se recubre con Inconel para soportar altas presiones y proporcionar altas resistencias a altas temperaturas.

Anteriormente, las toberas de cohetes se producían mediante complicadas cadenas de procesos, que incluían una combinación de fundición o forja, mecanizado, galvanoplastia y algún tipo de revestimiento. La cadena de proceso típica se extendía a lo largo de varias ubicaciones, lo que provocaba plazos de entrega de muchos meses. Además, los procesos y materiales involucrados son costosos y pueden elevar el costo de una sola boquilla de cohete de etapa pequeña (aproximadamente Ø600 mm x 800 mm en Z) hasta varios cientos de miles de dólares. Los plazos de entrega pueden ser de hasta nueve meses para el mismo componente.

Al utilizar un sistema híbrido-DED, se puede fabricar el mismo componente en una máquina en una sola configuración. La Figura 5 muestra una pieza de demostración fabricada con el híbrido LASERTEC 125 DED de DMG Mori. En una envolvente de hasta Ø1.250 mm x 790 mm se deposita capa a capa el liner de cobre y la carcasa de Inconel. La sección transversal A muestra la vista en una capa donde los canales de cobre están completamente unidos a la carcasa de Inconel, mientras que la sección B mira los canales de enfriamiento verticalmente a lo largo de la altura de deposición, mostrando una conexión sólida entre cada capa de cobre e Inconel.

Al integrar los procesos de deposición y mecanizado en una sola máquina, se puede fabricar una boquilla de cohete en unos pocos días, en comparación con varios meses antes. Asimismo, son posibles importantes reducciones de costes. Teniendo en cuenta el costo del polvo y el tiempo de la máquina, el costo de la misma boquilla ahora oscila entre decenas de miles de dólares en comparación con los cientos de miles de dólares anteriores.

La calidad del material y la repetibilidad del proceso son cruciales para la adopción de nuevas tecnologías. Por lo tanto, el híbrido LASERTEC 125 DED está equipado con monitoreo in situ del baño de fusión, control de distancia de trabajo (parte a herramienta DED), control de temperatura parcial y monitoreo del flujo de polvo.

La conductividad térmica es un gran factor de éxito en la fundición a presión y el moldeo por inyección. Perfiles de temperatura más armonizados en las herramientas y una mejor conductividad térmica producen una mejor calidad de las piezas, así como una mayor productividad y, por lo tanto, una reducción de costos. Convencionalmente, los moldes y matrices se mecanizan a partir de palanquillas o piezas fundidas, que tienen largos plazos de entrega de varios meses. Los canales de refrigeración se perforan a través de la matriz desde el exterior, lo que limita la geometría de los canales de refrigerante, de modo que la refrigeración es diferente en las zonas de superficie de la matriz que están más alejadas del siguiente canal de refrigerante.

El uso de máquinas DED híbridas con láseres azules permite una forma completamente nueva de fabricar moldes y matrices. La Figura 6 muestra un inserto de matriz que se hizo desde cero en un híbrido LASERTEC 65 DED con un láser azul. El núcleo de la matriz se deposita en cobre y la piel del inserto de la matriz se deposita en acero para herramientas con una dureza de 55 HRC. Al depositar la primera sección (a), los canales de refrigerante se mecanizan en la pieza (b) y la segunda sección se deposita hasta que se detiene para continuar con el mecanizado de los canales de refrigerante. Esto se continúa varias veces hasta completar la parte final (c), que tiene una piel sólida de acero para herramientas y un núcleo de cobre con un canal de refrigerante para una rápida conductividad térmica.

Los experimentos han comparado un diseño convencional del inserto de matriz con un diseño híbrido fabricado aditivamente. Se descubrió que el comportamiento térmico de la matriz mejoró de modo que el tiempo del ciclo se pudo reducir en un 76%. Esto no solo mejora la productividad, sino que también se descubrió que las piezas fundidas tenían una calidad más consistente, lo que generó ahorros en la tasa de desechos de más de $200 000 por año.

El uso de láseres azules se encuentra en las primeras fases, ya que apenas están disponibles económicamente. Las primeras aplicaciones ya muestran una mejora significativa en el uso de aleaciones de cobre, proporcionando amplios casos de uso que han sido imposibles de realizar en el pasado o solo han requerido mucho tiempo y esfuerzo.

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