El equipo utiliza la impresión 3D para fortalecer un material clave en la industria aeroespacial y energética

22 de mayo de 2023

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por Elizabeth A. Thomson, Instituto de Tecnología de Massachusetts

Los materiales clave para muchas aplicaciones importantes en el sector aeroespacial y de generación de energía deben poder soportar condiciones extremas, como altas temperaturas y tensiones de tracción, sin fallar. Ahora, un equipo de ingenieros dirigidos por el MIT informa sobre una forma sencilla y económica de fortalecer uno de los materiales clave que se utilizan hoy en día en este tipo de aplicaciones.

Además, el equipo cree que su enfoque general, que implica la impresión 3D de un polvo metálico reforzado con nanocables cerámicos, podría utilizarse para mejorar muchos otros materiales. "Siempre existe una gran necesidad de desarrollar materiales más capaces para entornos extremos. Creemos que este método tiene un gran potencial para otros materiales en el futuro", dice Ju Li, profesor de ingeniería nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor de Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT.

Li, que también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL), es uno de los tres autores correspondientes de un artículo sobre el trabajo que apareció en la edición del 5 de abril de Additive Manufacturing. Los otros autores correspondientes son el profesor Wen Chen de la Universidad de Massachusetts en Amherst y el profesor A. John Hart del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

El enfoque del equipo comienza con Inconel 718, una popular "superaleación" o metal capaz de soportar condiciones extremas, como temperaturas de 700 °C (aproximadamente 1300 °F). Muelen polvos comerciales de Inconel 718 con una pequeña cantidad de nanocables cerámicos, lo que da como resultado "la decoración homogénea de nanocerámicas en las superficies de las partículas de Inconel", escribe el equipo.

El polvo resultante se utiliza luego para crear piezas mediante fusión láser en lecho de polvo, una forma de impresión 3D. Ese proceso implica imprimir capas delgadas de polvo, cada una de las cuales se expone a un láser que se mueve a través del polvo y lo funde en un patrón específico. Luego se extiende otra capa de polvo encima y el proceso se repite con el láser en movimiento para derretir el patrón de la nueva capa y unirlo con la capa de abajo. El proceso general puede producir piezas 3D complicadas.

Los investigadores descubrieron que las piezas fabricadas de esta manera con su nuevo polvo tienen significativamente menos porosidad y menos grietas que las piezas hechas solo con Inconel 718. Y eso, a su vez, conduce a piezas significativamente más fuertes que también tienen otras ventajas. Por ejemplo, son más dúctiles (o estirables) y tienen mucha mejor resistencia a la radiación y a las cargas de alta temperatura.

Además, el proceso en sí no es costoso porque "funciona con las máquinas de impresión 3D existentes. Simplemente use nuestro polvo y obtendrá un rendimiento mucho mejor", dice Li.

Xu Song, profesor asistente de la Universidad China de Hong Kong que no participó en el trabajo, comenta: "En este artículo, los autores proponen un nuevo método para imprimir compuestos de matriz metálica de Inconel 718 reforzados con nanocables [cerámicos]. La disolución in situ de la cerámica inducida por el proceso de fusión por láser ha mejorado la resistencia térmica y la resistencia del Inconel 718. Además, los refuerzos in situ redujeron el tamaño del grano y eliminaron los defectos. incluida la modificación del cobre de alta reflectividad y la supresión de fracturas para superaleaciones, pueden beneficiarse claramente de esta técnica".

Li dice que el trabajo "podría abrir un enorme espacio nuevo para el diseño de aleaciones" porque la velocidad de enfriamiento de las capas ultrafinas de aleaciones metálicas impresas en 3D es mucho más rápida que la velocidad de las piezas a granel creadas mediante procesos convencionales de solidificación por fusión. Como resultado, "muchas de las reglas sobre composición química que se aplican a la fundición a granel no parecen aplicarse a este tipo de impresión 3D. Así que tenemos un espacio de composición mucho más grande para explorar para el metal base con adiciones cerámicas".

Emre Tekoğlu, uno de los autores principales del artículo sobre Fabricación Aditiva, dice: "Esta composición fue una de las primeras que decidimos, por lo que fue muy emocionante obtener estos resultados en la vida real. Todavía queda un vasto espacio de exploración. Seguiremos explorando nuevas formulaciones de compuestos de Inconel para terminar con materiales que puedan soportar ambientes más extremos".

Alexander O'Brien, otro autor principal, dice: "La precisión y escalabilidad que conlleva la impresión 3D ha abierto un mundo de nuevas posibilidades para el diseño de materiales. Nuestros resultados aquí son un emocionante primer paso en un proceso que seguramente tendrá un importante impacto". impacto en el diseño de la energía nuclear, aeroespacial y toda la generación de energía en el futuro".

Más información: Emre Tekoğlu et al, Fortalecimiento del Inconel 718 fabricado aditivamente mediante la formación in situ de nanocarburos y siliciuros, Additive Manufacturing (2023). DOI: 10.1016/j.addma.2023.103478

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.