Los tratamientos térmicos pueden mejorar las propiedades de los aceros obtenidos mediante impresión 3D

Un estudio realizado en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón de Brasil muestra que es posible alterar la ductilidad de aceros maraging –un material ultrarresistente que se utiliza en la industria aeroespacial– elaborados mediante manufactura aditiva

Por Chloé Pinheiro  |  Agência FAPESP – La manufactura aditiva del acero, también conocida como impresión 3D, es tenida como una alternativa prometedora en el ámbito de la industria aeroespacial, pues permite elaborar piezas personalizadas en formatos complejos. Sin embargo, su aplicación práctica aún reviste desafíos, pues la microestructura del acero obtenido con esta tecnología es distinta a la que resulta de la fabricación tradicional, lo cual puede comprometer las propiedades mecánicas del material.

En un artículo publicado en el periódico Additive Manufacturing, científicos brasileños demostraron que es posible manipular las propiedades de un tipo de acero producido mediante manufactura aditiva aplicando tratamientos térmicos. El referido estudio, que contó con el apoyo de la FAPESP, se realizó en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), con sede en la ciudad de Campinas, en el estado de São Paulo, Brasil.

El acero investigado en el proyecto fue el maraging grado 300, un material ultrarresistente obtenido mediante el envejecimiento de la matriz martensítica, la cual, a su vez, es un producto de la austenita. Además de la resistencia mecánica, el mismo es dúctil, es decir, es capaz de absorber deformaciones. Esta característica es importante en materiales sometidos a cargas intensas y ciclos de fatiga, tales como una turbina de avión o un tren de aterrizaje, por ejemplo.

“Notamos en la literatura que, cuando se fabrica el acero maraging mediante manufactura aditiva, alcanza la resistencia deseada, pero su ductilidad es menor”, declaró Julian Arnaldo Avila Diaz, docente de las carreras de Ingeniería Electrónica y de Telecomunicaciones y de Ingeniería Aeronáutica de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) con sede en São João da Boa Vista, también en el estado de São Paulo, a Agência FAPESP. 

Durante el envejecimiento del acero maraging, los distintos elementos que forman su microestructura se agrupan. Son esos grupos los que determinan la resistencia y la ductilidad del material, y su organización depende de factores tales como el tiempo y la temperatura.

Con todo, debido a la heterogeneidad de la precipitación de esos elementos de aleación en la matriz durante la manufactura aditiva, el envejecimiento tradicional –un tratamiento térmico a una temperatura que varía según la aleación utilizada, pero que generalmente se ejecuta en la franja de los 500 °C durante un período de hasta cuatro horas– no aporta el efecto esperado en la microestructura del acero maraging.

Los investigadores intentaron entonces alterar los agrupamientos de elementos a temperaturas distintas a las usuales. El objetivo era aumentar la cantidad de austenita, que posee una ductilidad mayor que la martensita, en la matriz martensítica.

“Buscamos un rango de temperatura y de tiempo de exposición en el cual parte de la martensita se disolviera lo suficientemente como para formar austenita y que permaneciese estable, es decir, que no volviera a la forma original”, dijo Avila Diaz.

La luz sincrotrón

Las piezas de acero maraging utilizadas se elaboraron mediante fusión selectiva por láser y se homogeneizaron a 820 °C. Una vez fabricadas, las muestras fueron sometidas a revenido –un tratamiento térmico en el campo bifásico– a tres temperaturas, 610 °C, 650 °C y 690 °C, durante alrededor de 30 minutos.

En las dos primeras hubo una transformación gradual y significativa de la martensita en austenita, con una alta estabilidad térmica, que sería el escenario ideal para promover la ductilidad. En tanto, a los 690 °C se produjo una formación excesiva de la fase austenítica y una conversión indeseable del material en martensita durante el enfriamiento.

La determinación de la cantidad de austenita y martensita medida experimentalmente se comparó mediante simulaciones termodinámicas. Este estudio se realizó en la estación experimental XTMS, asociada a la línea de luz XRD1 de difracción de rayos X del LNLS. Este tipo de rayos X logran analizar porciones muy específicas de materiales a niveles microscópicos y transmitir información en tiempo real sobre el comportamiento de la pieza.

“Gracias a la luz sincrotrón, observamos por primera vez y en vivo todas las fases del proceso en este tipo de acero, algo que solo veíamos en imágenes estáticas en la literatura”, dijo Avila Diaz. Otra ventaja residió en conseguir definir exactamente los distintos niveles de temperatura testeados, algo necesario para lograr ese efecto, llamado TRIP (plasticidad inducida por la transformación, por sus siglas en inglés).

Para Avila Diaz, la luz sincrotrón es una herramienta fundamental en investigaciones en el área metalúrgica que pueden llevar a nuevos materiales y piezas para todas las industrias brasileñas. “Estamos estudiando la manufactura aditiva de aceros, pero todos los procesos de fabricación y transformación de metales pueden analizarse in situ en el sincrotrón.” 

Las posibilidades para el futuro

En líneas generales, esta investigación sienta las bases de la elaboración de un nuevo tipo de acero mediante impresión 3D, con una elevada ductilidad. “Logramos crear una matriz que aparenta ser resistente, aunque no al punto del acero maraging tradicional, pero con una ductilidad considerable”, dijo Avila Diaz.

Los próximos pasos comprenden nuevos análisis cristalográficos en diferentes franjas de temperatura y, posteriormente, se someterá al material a ensayos mecánicos que comprobarán si la hipótesis del grupo (de que la ductilidad puede mejorarse) es válida en la práctica.

Por ahora, la manufactura aditiva del acero solo se aplica en prototipos, precisamente a causa de la imprevisibilidad de su microestructura. Cabe esperar que con este trabajo y los próximos que vendrán se haga más fácil viabilizar su uso efectivo en industrias críticas. “A partir de allí, podremos crear tecnologías que cambiarán la vida de diversas maneras”, dijo Avila Diaz.

Puede leerse el artículo intitulado Austenite reversion kinetics and stability during tempering of an additively manufactured maraging 300 steel, de F.F. Conde, J.D. Escobar, J.P. Oliveira, A.L. Jardini, W.W. Bose Filho y J.A. Avila, en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860418308030?via%3Dihub.