La 'salsa secreta' permite una nueva forma de fabricar aleaciones clasificadas por composición

21 de julio de 2023

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por Emily R Tomlin, Laboratorio Nacional Oak Ridge

La investigación sobre una tecnología nueva y única para fabricar piezas metálicas compuestas para una amplia gama de aplicaciones que operan en entornos extremos en las industrias de la aviación, el espacio y la energía se muestra 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 graduadas composicionalmente. Estos componentes pasan de superaleaciones de alta resistencia a aleaciones refractarias que pueden soportar temperaturas extremadamente altas, por lo que no es necesario soldar.

Aunque las superaleaciones y aleaciones refractarias normalmente no se pueden soldar ni unir entre sí, muchas aplicaciones requieren materiales con propiedades de alta temperatura y alta resistencia específicas del sitio.

"Podemos permitir composiciones que pasen de una aleación a otra sin problemas", dijo Soumya Nag, científico de materiales de ORNL que dirige los estudios. "Podemos ajustar una pieza compuesta que podemos nivelar de un extremo a otro y tener alta resistencia y capacidad de alta temperatura en cada lado".

El secreto está en la "salsa".

"Es como cocinar. Básicamente tienes diferentes ingredientes. Entonces, si tienes más pasta de un lado y más risotto del otro, ¿cómo puedes cambiar continuamente de pasta a risotto? Cambias los ingredientes a medida que avanzas de un extremo al otro, y eso es exactamente lo que hacemos", dijo Nag.

La salsa en este caso es un polvo compuesto de una tercera aleación de transición que posee características de peso ligero o de alta temperatura. Nag y los miembros del equipo utilizaron una modalidad de fabricación aditiva llamada deposición de energía dirigida para depositar diferentes composiciones de polvo en un entorno inerte de argón, cambiando la tasa de deposición a medida que avanzan.

Para la mayoría de las aplicaciones estructurales, dijo Nag, a menudo se usa una composición de aleación única para fabricar componentes para ambientes corrosivos, de alta temperatura o radiativos, pero este proceso es costoso y compromete el rendimiento. Para componentes que requieren propiedades muy variadas, a menudo se fabrican piezas soldadas hechas de materiales diferentes, lo que genera interfaces abruptas que pueden afectar negativamente al rendimiento.

En los últimos estudios, los científicos 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 otra resistente a altas temperaturas) no quieren unirse y tienden a crear grietas cuando lo hacen. Pero al utilizar una máquina de deposición de energía dirigida de polvo soplado y cambiar la velocidad a la que fluyen los polvos, los científicos pueden cambiar la composición de los metales unidos para que tenga las propiedades beneficiosas de ambos.

Los científicos diseñaron la ruta de gradiente no lineal real combinando termodinámica computacional de última generación con datos experimentales recopilados mediante herramientas de caracterización multiescala y de alto rendimiento. Al hacerlo, sortearon con éxito los problemas de soldadura y unieron superaleaciones normalmente no soldables con aleaciones refractarias.

El equipo analizó los estados de tensión de estas construcciones integradas con estudios basados ​​en difracción de neutrones en ORNL, validando el diseño computacional de la aleación. Actualmente, se están generando modelos de piscina de fusión, térmicos y de deformación basados ​​en los datos experimentales.

"Pocas modalidades de fabricación aditiva tienen esta capacidad de mezclar polvos sobre la marcha durante la construcción", dijo Nag. "Este es un atributo único que puede soplar polvos a diferentes velocidades. Ahora se puede realizar la transición de temperatura de una aleación de níquel de temperatura relativamente baja a una aleación de niobio de temperatura extremadamente alta sin ningún problema".

Entre las aplicaciones de esta tecnología se encuentran motores de cohetes para el espacio, fabricación aeroespacial, fabricación de reactores de fusión y fisión, usos relacionados con el mar, sistemas de energía renovable, en cualquier lugar donde exista un ambiente extremo, dijo Nag.

"Estamos avanzando hacia un futuro en el que se puedan incorporar componentes personalizados con una combinación ideal de rendimiento específico de los componentes con un costo de fabricación reducido para una amplia gama de aplicaciones", afirmó. "Podría cambiar la forma en que se fabrican los componentes para condiciones extremas".

Nag ha presentado una solicitud de patente provisional sobre los materiales empleados y el proceso de fabricación. Contribuyen a la investigación los científicos de ORNL Brian Jordan, Ke An, James Haley, Yousub Lee y Jaimie Tiley. Verdaderamente interdisciplinario, los miembros del equipo de investigación de todo ORNL aportan experiencia en ciencias físicas, ciencia y tecnología de la energía, ciencias de neutrones y ciencias computacionales.