Manufactura aditiva asistida por láser del nanocompuesto IN718/Al2O3 fabricado por molienda mecánica de alta energía para su aplicación en la industria aeroespacial

Abstract

Los compuestos y nanocompuestos de matriz metálica, CMM y NCMM, respectivamente, son materiales que muestran buenas características eléctricas y térmicas, además de excelentes propiedades mecánicas incluyendo módulo elástico, resistencia al desgaste y resistencia a la fluencia. Como resultado, estos materiales son ampliamente utilizados en la industria aeroespacial, automovilística y naval. Los CMM y NCMM pueden ser sintetizados por procesos in-situ o ex-situ. En los métodos ex-situ, las partículas se sintetizan por separado antes de fabricar el compuesto, mientras que en el proceso in-situ las nanopartículas se pueden sintetizar y dispersar de manera homogénea al mismo tiempo en la matriz metálica. La molienda mecánica de alta energía y la mecanofusión son técnicas efectivas para producir CMM y NCMM con micro o nanopartículas cerámicas en forma de polvo y en cantidades relativamente grandes. Estos compuestos pueden manufacturarse y/o funcionalizarse posteriormente por tecnologías de manufactura avanzada como laser cladding, LC, mediante la cual es posible consolidar aleaciones en polvo capa por capa utilizando una máquina multieje, una fuente láser y un software CAD/CAM. Además de depositar varios materiales, incluidos metales, cerámicos y compuestos de matriz metálica en superficies 2D y 3D, LC es capaz fabricar piezas funcionales con geometrías complejas y estructuras huecas con menores costos y tiempos de producción. Sin embargo, la combinación de materiales compuestos fabricados por molienda o mecanofusión (no disponibles comercialmente) y depositados por LC se ha investigado escasamente. Por lo tanto, entre los objetivos de esta investigación están producir el NCMM de Inconel 718 con nanopartículas cerámicas de Al2O3 (5% en peso) por medio de las tecnologías de molienda mecánica de alta energía (Simoloyer®) y mecanofusión, depositar el nanocompuesto fabricado por molienda por LC evaluando la influencia de los parámetros de procesamiento y analizar el efecto de la adición de las nanopartículas cerámicas en las características y propiedades de los depósitos. Antes de la molienda mecánica, los polvos puros se mezclaron previamente mediante sonicación en etanol. Una vez fabricado el NCMM, el polvo se consolidó en forma de cordones mediante LC. Los parámetros de laser cladding investigados fueron la potencia del láser, la velocidad de alimentación del polvo, la velocidad de escaneo y el ciclo de trabajo. La influencia de estas variables se evaluó usando la dilución, porosidad, zona afectada por el calor y relación ancho-altura como variables de salida. Los resultados muestran que la molienda mecánica de alta energía es un proceso efectivo para producir el nanocompuesto IN718/Al2O3. Después de 30 h de molienda, las nanopartículas de Al2O3 se encuentran dispersas homogéneamente en el Inconel 718, además, las partículas del nanocompuesto alcanzan un tamaño, morfología y composición química uniforme adecuadas para su posterior consolidación por LC. Los análisis de los cordones depositados por láser muestran que no hay una influencia representativa de los parámetros de depósito sobre las variables de salida seleccionadas. Todos los cordones muestran mínima porosidad, baja dilución, zona afectada por el calor y buena calidad superficial. El efecto de nanopartículas de alúmina en la matriz metálica (IN718-5%Al2O3) se refleja en el incremento de la dilución y zona afectada por el calor comparado con el IN718 depositado, al mismo tiempo favorece la formación de dendritas más gruesas y alargadas dentro del cordón debido a que las nanopartículas concentran el calor en el depósito debido a su baja conductividad térmica. El uso de altas potencias, velocidades y flujos másicos permite retener una mayor cantidad de alúmina dentro de los cordones. Sin embargo, esta combinación sigue causando la segregación de Al, O, Ti y Cr en la superficie de los cordones.