Tratamientos térmicos para piezas procesadas por manufactura aditiva

Alcanzar las propiedades mecánicas indicadas de una pieza metálica impresa necesita del tratamiento térmico correcto. Conozca aquí las claves para aplicarlo en su empresa

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El tratamiento térmico ha sido un proceso crucial de post-fabricación para controlar la microestructura de materiales metálicos durante siglos. Ayuda a lograr las propiedades deseadas que a menudo no son alcanzables en el estado de fabricación. Sin embargo, los programas de tratamiento térmico para aleaciones de manufactura convencional (CM) pueden no dar resultados comparables cuando se aplican a componentes de manufactura aditiva (AM) debido a las diferencias en sus microestructuras iniciales. Las características microestructurales de la AM de metales, como la microestructura anisotrópica y las tensiones residuales, pueden socavar las propiedades del material. Por lo tanto, los tratamientos térmicos posteriores a la AM son necesarios para minimizar o eliminar sus efectos perjudiciales.

 

Es esencial que los usuarios de la tecnología AM comprendan cómo las prácticas de tratamiento térmico afectan la calidad de los componentes AM.

 

Se han llevado a cabo numerosos estudios para investigar la influencia de los tratamientos térmicos posteriores a la AM en las propiedades de las piezas de AM de metal. Este artículo se basa en los resultados expuestos por Majid Laleh et. al, en su paper Heat treatment for metal additive manufacturing, publicado el pasado mes de Marzo en el Journal Progress in Materials Science. En muchos casos, la literatura técnica ha informado resultados contradictorios y a veces ambiguos. Las propiedades mecánicas y de corrosión críticas de las piezas AM están determinadas por el tamaño y la morfología del grano, la estructura subgrano, la densidad de dislocación, el constituyente de fase, la dispersión de precipitados secundarios y los defectos. La estabilidad de estas características microestructurales, la formación de nuevas fases y la eliminación de defectos al exponerse a tratamientos térmicos de post-procesamiento controlan esencialmente los cambios en las propiedades de las piezas AM tratadas térmicamente.

Las diferencias en las microestructuras iniciales entre los materiales AM y CM, así como entre diferentes tecnologías AM, afectan su respuesta a las prácticas de tratamiento térmico seleccionadas específicas para cada grupo de aleaciones. La diferencia significativa en la velocidad de enfriamiento entre diferentes tecnologías de AM de metal da lugar a características microestructurales únicas para cada proceso de AM, que requieren prácticas específicas de tratamiento térmico para lograr las propiedades deseadas. Algunos grupos específicos de aleaciones tienen poca respuesta al procesamiento térmico y pueden no necesitar un tratamiento térmico crítico. Sin embargo, el tratamiento térmico posterior a la AM puede ser necesario para esas partes AM de metal con microestructuras anisotrópicas fuertes y / o tensiones internas extensas, que pueden causar deterioro en la propiedad de interés en el estado de construcción.

 

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La solidificación rápida y el tratamiento térmico intrínseco asociado con una historia  térmica única en AM permiten la eliminación de ciertos pasos de post-procesamiento. Un ejemplo es saltar el paso de recocido de solución del programa de tratamiento térmico común para aceros para herramientas y aceros maraging, lo que se ha informado en la literatura. Otro ejemplo es la producción de Ti-6Al-4V tratado con solución y envejecido, que se obtiene a partir del envejecimiento directo del Ti-6Al-4V completamente martensítico producido por LPBF (Del inglés, laser powder bed fusion, ó fusión láser de cama de polvo). Estos atributos permiten el procesamiento de nuevas clases de aleaciones con microestructuras específicas de interés en ubicaciones deseadas mediante AM y posiblemente permitirán la obtención de propiedades deseadas in situ mediante el diseño de condiciones de procesamiento AM óptimas. Como consecuencia, se eliminarán o reducirán significativamente los pasos críticos del tratamiento térmico posterior a la AM.

La manufactura aditiva de componentes aeronáuticos debe incluir un proceso de tratamiento térmico acorde a la microestructura resultante de la aleación utilizada.

 

Característica microestructural depende de la temperatura

Una característica microestructural importante compartida por todas las partes de AM de metal es la presencia de una alta densidad de dislocaciones, la mayoría de las cuales se acumulan en los límites de subgranos, lo que resulta en una prometedora microdureza y resistencia a la fluencia en comparación con sus contrapartes de CM. La estabilidad de la estructura de dislocación, que depende de la temperatura y el tiempo de remojo del tratamiento térmico posterior a la AM, influye significativamente en la microdureza en los materiales AM.

Los principales obstáculos en las partes de metal AM son la anisotropía mecánica notable, la falta de ductilidad y tenacidad necesarias, y la resistencia a la fatiga insuficiente debido a la existencia de defectos internos (con superficies mecanizadas), que se pueden corregir mediante tratamiento térmico posterior, incluida la HIP (del inglés, Hot isostatic pressing, ó compresión isoestática en caliente). La selección adecuada de las condiciones de tratamiento térmico puede aliviar la anisotropía y mantener una alta resistencia mientras se mejora la ductilidad y la tenacidad.

Los avances recientes en tecnologías de manufactura aditiva (AM) han revolucionado la forma en que producimos componentes con diferentes materiales y propiedades. La AM de múltiples materiales, en particular, ha permitido la creación de microestructuras complejas con propiedades funcionales distribuidas en regiones específicas. Sin embargo, este método innovador también plantea nuevos desafíos en el tratamiento térmico posterior a la AM.

 

Desafíos del tratamiento térmico

Los componentes de AM de múltiples materiales tienen diferentes materiales y  microestructuras, lo que dificulta la determinación del procedimiento de tratamiento térmico adecuado. El tratamiento térmico posterior puede afectar cada material y microestructura de manera diferente, lo que requiere un procedimiento de tratamiento térmico más complejo para dichos componentes. Por lo tanto, se necesita una investigación adicional para comprender la influencia del tratamiento térmico en los materiales de múltiples materiales.

 

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Otro desafío en el tratamiento térmico de los componentes AM de metal es lograr resultados consistentes. Esto se debe a las diferencias en la microestructuras iniciales, que pueden variar según la tecnología AM o los parámetros de procesamiento utilizados para construir los componentes. Los efectos anisotrópicos resultantes de la dirección de construcción y el ángulo de las partes de metal AM también pueden afectar los resultados. El tratamiento térmico posterior a la impresión puede ayudar a eliminar tales efectos y lograr resultados más consistentes.

La llegada de AM multi-material ha brindado nuevas oportunidades para la producción de componentes con propiedades funcionales distribuidas. Sin embargo, este método innovador plantea nuevos desafíos en el tratamiento térmico posterior a la impresión. Se requiere más investigación para determinar los mejores procedimientos de tratamiento térmico para componentes AM multi-material, y garantizar resultados consistentes en los componentes AM de metal.