La tecnología de fabricación aditiva por láser tiene la ventaja de formar rápidamente piezas de formas complejas y ha recibido una amplia atención en los últimos años.
Este artículo presenta dos tecnologías de fabricación aditiva por láser, la deposición de energía dirigida (DED) y la fusión selectiva por láser (SLM), y resume el progreso de la investigación en la fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L desde la perspectiva de defectos comunes, estructura y textura y propiedades mecánicas. .
Analiza los problemas existentes en la fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L y espera con interés sus perspectivas de desarrollo.
1. Proceso de fabricación aditiva por láser
La fabricación aditiva por láser incluye dos tecnologías: deposición de energía dirigida (DED) y fusión selectiva por láser (SLM).
Ambos utilizan rayos láser de alta energía como fuentes de calor para derretir localmente polvo metálico y formar un charco fundido; cuando el rayo láser se aleja, el charco fundido se solidifica rápidamente. Sin embargo, los principios de funcionamiento de las tecnologías DED y SLM son diferentes.
DED, también conocida como ingeniería láser de forma casi neta, deposición de metal por láser o formación rápida por láser, es una tecnología típica de fabricación aditiva por láser para la entrega de polvo coaxial.
El polvo metálico dentro del tambor de polvo ingresa al baño de soldadura a través del tubo transportador y la boquilla especialmente diseñada. El rayo láser se mueve a lo largo de una trayectoria predeterminada bajo control por computadora para fundir el polvo metálico y formar una capa delgada.
Después de esto, el cabezal de deposición se mueve hacia arriba, continuando depositando la siguiente capa, repitiendo este proceso capa por capa hasta producir la pieza deseada.
Además de formar directamente piezas metálicas, la tecnología DED también se puede utilizar para preparar recubrimientos, reparar componentes dañados y preparar materiales clasificados funcionalmente. SLM es una tecnología típica de fabricación aditiva por láser en lecho de polvo.
El polvo metálico no se pulveriza desde la boquilla, sino que se esparce previamente uniformemente sobre el lecho de polvo. El rayo láser funde selectivamente el lecho de polvo según una trayectoria predeterminada.
Después de que se forma una capa, el lecho de polvo desciende una cierta distancia y se repulveriza y funde selectivamente, repitiendo este proceso capa por capa hasta que se produce la pieza deseada.
Para evitar la oxidación de las piezas de acero inoxidable 316L, los procesos de conformado DED y SLM deben realizarse bajo protección con gas inerte.
Además de los diferentes principios operativos, la deposición de energía dirigida (DED) y la fusión selectiva por láser (SLM) también tienen parámetros de proceso significativamente diferentes. El diámetro del rayo láser en DED suele oscilar entre 600 y 1300 μm, mientras que en SLM es significativamente menor, normalmente entre 15 y 80 μm.
En la actualidad, el polvo de acero inoxidable 316L utilizado para la fabricación aditiva por láser suele prepararse mediante atomización.
Teniendo en cuenta los diámetros de haz de DED y SLM, el tamaño de partícula del polvo de acero inoxidable 316L para DED suele estar entre 45 y 180 μm, mientras que para SLM normalmente está entre 5 y 63 μm.
Durante el proceso DED, la potencia del láser (P) puede alcanzar de 200 a 720 W, pero la velocidad de escaneo (v) suele ser inferior a 10 mm·s -1 .
En consecuencia, la densidad de energía de la línea ( Ei =P/v) es extremadamente alta, alcanzando decenas o cientos de julios por milímetro. Una mayor densidad de potencia de línea conduce a una mayor penetración del láser, por lo que el espesor de la capa en DED generalmente se establece entre 254 y 500 µm, con un rango de escaneo típicamente establecido entre 350 y 500 µm.
Por el contrario, SLM suele utilizar una potencia láser más baja (60 a 380 W) y una velocidad de escaneo más alta (30 a 7000 mm s -1 ), lo que da como resultado una densidad de potencia de línea muy baja, típicamente entre 0,01 y 0,5 J mm -1 .
Para garantizar la ausencia de defectos de fusión insuficientes, tanto el rango de escaneo como el espesor de la capa en SLM deben ser lo suficientemente pequeños, generalmente entre 20 y 300 μm y 10 a 60 μm, respectivamente.
Durante la formación de DED, el gradiente de temperatura y la velocidad de enfriamiento pueden alcanzar hasta 10 2 a 10 3 K·mm -1 y 10 3 a 10 4 K·s -1 respectivamente.
Como la densidad de energía de la línea en SLM es menor, el gradiente de temperatura dentro del baño de soldadura es aún mayor, hasta 10 3 a 10 5 K·mm-1, y la velocidad de enfriamiento es más rápida, alcanzando 10 4 a 10 7 K·s. -1 .
2. Defectos comunes
En comparación con las técnicas metalúrgicas tradicionales, la tecnología de fabricación aditiva por láser tiene importantes ventajas.
Sin embargo, si los parámetros del proceso se eligen incorrectamente, se pueden introducir varios defectos durante el proceso de conformación, como porosidad, falta de fusión y grietas. Estos defectos pueden disminuir significativamente las propiedades mecánicas del acero inoxidable 316L.
Por lo tanto, cómo reducir o eliminar estos defectos es una cuestión crucial en la fabricación aditiva por láser.
La porosidad y la falta de fusión son los dos defectos más comunes en la fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L. La porosidad normalmente parece esférica y se origina principalmente a partir de los gases del polvo de acero inoxidable 316L.
Los poros del polvo no pueden expulsarse por completo durante la rápida solidificación del baño de soldadura y permanecen dentro del componente. Los gases inertes también pueden entrar en el baño de soldadura y formar poros.
Además, durante el proceso de fabricación aditiva por láser, la temperatura más alta se produce en la superficie de la pieza. El calor se conduce hacia el interior, formando un charco de deshielo ancho y poco profundo.
Sin embargo, cuando la potencia del láser es extremadamente alta o la velocidad de escaneo del láser es muy baja, es decir, la densidad de energía de la línea láser es muy alta, la formación del baño de soldadura cambiará de un modo de conducción láser a un modo de calor a un modo de fusión profunda, formando un modo estrecho y un canal de piscina de fusión profunda.
Este canal es muy inestable y puede formar fácilmente poros en el fondo del baño de soldadura. Generalmente se cree que cuando la relación ancho-profundidad del baño de soldadura cae por debajo de un cierto valor crítico, se activa el modo de fusión profunda.
Para controlar la tasa de porosidad del acero inoxidable 316L en la fabricación aditiva por láser, se debe controlar estrictamente el contenido de gas del polvo de acero inoxidable 316L y se deben optimizar los parámetros del proceso para evitar la porosidad causada por el modo de fusión profunda.
A diferencia del mecanismo de formación de porosidad, la falta de defectos de fusión generalmente se origina por una densidad de energía láser insuficiente, lo que lleva a una profundidad de fusión inadecuada, lo que resulta en grandes vacíos de forma irregular entre las capas. Este tipo de defecto normalmente se puede solucionar reduciendo el espesor de la capa.
La balificación es uno de los defectos comunes en la fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L. Este fenómeno se refiere a la incapacidad de las gotas de metal fundido para formar una línea fundida continua, creando en su lugar una superficie en forma de lágrima en la pieza formada; el efecto acumulativo del marcado puede reducir significativamente la precisión de la pieza.
Este efecto a menudo es causado por un contenido excesivo de oxígeno en la cavidad de la formación, lo que resulta en la oxidación de la superficie de las gotas de metal, impidiendo su fusión. Por lo tanto, es crucial controlar estrictamente el contenido de oxígeno en la cavidad de formación durante el proceso de formación.
El acero inoxidable 316L es uno de los metales adecuados para la fabricación aditiva, pero ha habido informes de defectos de agrietamiento en la fabricación aditiva por láser del acero inoxidable 316L.
El craqueo térmico (o craqueo por solidificación) es uno de los mecanismos de craqueo importantes, que a menudo ocurre en la etapa final de solidificación rápida del baño fundido.
En este punto, la proporción de fase sólida es grande, el baño fundido está ocupado por una subestructura celular y hay una película de fase líquida en el límite de la subestructura celular.
La resistencia de esta estructura es extremadamente baja, lo que la hace propensa a agrietarse bajo tensión de tracción y, en este momento, es difícil que el líquido fluya para llenar el área de la grieta, lo que eventualmente forma una grieta térmica en el límite del grano.
Los defectos comunes y sus mecanismos de formación en la fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Defectos comunes y sus mecanismos de formación en la fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L.
| Nombre del defecto | Mecanismo de formación |
| Poro | Hay poros dentro del polvo; el gas protector inerte no puede ser expulsado del baño de soldadura; La selección inadecuada de los parámetros del proceso da como resultado una densidad de energía láser excesiva, lo que desencadena un modo de fusión profunda. |
| Fusión incompleta | La densidad de energía del láser es insuficiente, lo que da como resultado una profundidad de fusión inadecuada. |
| Esferoidización | El contenido excesivo de oxígeno impide que las gotas de metal se fusionen para formar una línea fundida continua. |
| Grieta | Durante la etapa final de solidificación, la película de la fase líquida en el límite de la subestructura celular se agrieta bajo tensión de tracción. |
3. Microestructura
Debido al alto gradiente de temperatura y la velocidad de enfriamiento, el proceso de solidificación de la fabricación aditiva por láser exhibe un efecto de enfriamiento rápido.
El acero inoxidable 316L preparado de esta manera tiene una estructura extremadamente desequilibrada que los métodos de fundición tradicionales no pueden lograr.
Por lo general, forma una estructura cristalina columnar, con numerosas subestructuras celulares diminutas dentro de los granos columnares, como se muestra en la Figura 1.
Durante el proceso de solidificación (incluyendo fundición, soldadura, fabricación aditiva por láser, etc.), el gradiente de temperatura G en la fase líquida en el borde anterior de la interfaz sólido/líquido y la tasa de crecimiento V del frente de solidificación juntos determinan la morfología y el tamaño del grano y su subestructura interna.
Cuanto menor sea el G/V, más fácil será formar una estructura de grano equiaxial; por el contrario, es más probable que se forme una estructura de grano columnar. Los gradientes de temperatura y las tasas de crecimiento varían a lo largo del baño de soldadura.
Normalmente, el fondo del baño de soldadura tiene un gradiente de temperatura grande y una tasa de crecimiento pequeña, lo que promueve la formación de cristales columnares, mientras que la parte superior del baño de soldadura tiene un gradiente de temperatura pequeño y una tasa de crecimiento alta, lo que facilita la formación de cristales columnares. formacion de cristales equiaxiales.
La fabricación aditiva por láser utiliza un método de deposición capa por capa. Para garantizar una unión suficiente entre capas, parte del material de la capa anterior se volverá a fundir, por lo que la estructura cristalina equiaxial en la parte superior del baño de soldadura a menudo no existe, mientras que los cristales columnares en el fondo del baño de soldadura se extienden capa por capa. .a través del crecimiento epitaxial.
Además, a diferencia de la estructura dendrítica del acero inoxidable 316L fundido, el baño de soldadura procedente de la fabricación aditiva por láser se enfría extremadamente rápido durante la solidificación, lo que limita la formación y el crecimiento de dendritas secundarias.
Por lo tanto, la interfaz sólido/líquido del baño fundido de acero inoxidable 316L durante la fabricación aditiva por láser generalmente avanza a través del crecimiento celular.
Durante la solidificación, el acero inoxidable 316L formado con DED normalmente forma una estructura de austenita primaria, y en las paredes celulares de la subestructura celular, hay una segregación pronunciada de elementos estabilizadores de ferrita como cromo y molibdeno, promoviendo así la formación de una pequeña cantidad de ferrito.
En comparación con DED, SLM se enfría más rápido, el efecto de segregación de elementos se reduce considerablemente, generalmente no lo suficiente como para formar ferrita estable, por lo que el acero inoxidable 316L formado por SLM generalmente exhibe una estructura de austenita monofásica, sin formación de ferrita.
Además de la segregación de elementos estabilizadores de ferrita como cromo y molibdeno en las paredes celulares de la subestructura celular, la ligera diferencia en la orientación entre subestructuras celulares adyacentes conduce a un gran número de dislocaciones agrupadas en las paredes celulares, mientras que la densidad de dislocaciones dentro la subestructura celular es relativamente baja, formando una típica celda de desplazamiento.
Además, se forma una cierta textura cristalográfica en el acero inoxidable 316L mediante fabricación aditiva por láser. A lo largo del proceso, la dirección del flujo de calor varía dentro del baño de soldadura, pero en general se opone a la dirección de formación.
La estructura del acero inoxidable 316L formada mediante fabricación aditiva por láser se compone principalmente de austenita con una estructura cúbica centrada en las caras.
Debido a que la dirección <100> es la dirección de crecimiento más rápida para los cristales cúbicos, el acero inoxidable 316L normalmente forma una textura fibrosa <100> a lo largo de la dirección de formación durante la fabricación aditiva por láser. El ajuste de los parámetros del proceso, como las estrategias de escaneo láser, puede controlar eficazmente la formación de textura.
4. Propiedades mecánicas
4.1 Propiedades de tracción
El límite elástico y la resistencia a la tracción del acero inoxidable 316L producido mediante fabricación aditiva por láser suelen oscilar entre 300 y 600 MPa y 400 a 800 MPa, respectivamente, significativamente más altos que el límite elástico (200 a 300 MPa) y la resistencia a la tracción (500 a 600 MPa). MPa) de acero inoxidable 316L preparado mediante métodos tradicionales.
El límite elástico ultraalto del acero inoxidable 316L fabricado aditivamente con láser se atribuye a su organización estructural a múltiples escalas, como granos finos (aproximadamente 0,2 mm de tamaño), subestructuras celulares (menos de 1 μm de diámetro), pequeñas partículas de alta densidad. estructuras. límites de grano angulares (hasta 41%), redes de dislocación (en la escala de cientos de nanómetros), fases precipitadas (de 10 a 150 nm de tamaño) y segregación de elementos localizados (menos de 1 nm de rango).
Esta organización heterogénea de múltiples escalas también contribuye al endurecimiento continuo y estable del acero inoxidable 316L.
Además, al igual que el acero inoxidable 316L preparado mediante procesos tradicionales, el acero inoxidable 316L fabricado con aditivo láser también exhibe un efecto Hall-Petch dinámico debido a la formación de nanogemelos que ayudan a la deformación durante el proceso de deformación plástica por tracción, lo que ayuda a aumentar el efecto de endurecimiento por trabajo. logrando así una alta resistencia a la tracción y un alargamiento ultra alto después de la fractura.
La tasa de alargamiento posterior a la fractura del acero inoxidable 316L fabricado con aditivos láser está estrechamente relacionada con la porosidad dentro del material.
El acero inoxidable 316L formado mediante fabricación aditiva por láser generalmente exhibe estructuras cristalinas columnares y forma ciertas texturas cristalográficas, lo que hace que las propiedades de tracción del acero inoxidable formado sean anisotrópicas. Al ajustar las estrategias de escaneo, se puede reducir efectivamente la textura cristalográfica, haciendo que el límite elástico sea isotrópico.
Sin embargo, las estructuras cristalinas columnares todavía conducen a niveles variables de endurecimiento por trabajo en diferentes direcciones durante el proceso de tracción del acero inoxidable 316L formado mediante fabricación aditiva por láser, lo que resulta en diferencias significativas en la resistencia a la tracción y el alargamiento tras la fractura en diferentes direcciones.
Además, los procesos de fabricación tradicionales de acero inoxidable 316L pueden desencadenar una transformación de fase martensítica durante la deformación plástica, pero en los estudios actuales sobre la deformación plástica del acero inoxidable 316L formado mediante fabricación aditiva por láser no se ha encontrado ninguna transformación martensítica inducida por deformación.
4.2 Comportamiento a la fatiga
El rendimiento a la fatiga del acero inoxidable 316L formado mediante fabricación aditiva por láser está influenciado por varios factores, incluida la microestructura, los defectos internos, la rugosidad de la superficie y la dirección de carga.
La subestructura de celda fina dentro de la estructura de acero inoxidable 316L formada mediante fabricación aditiva por láser previene significativamente el deslizamiento por dislocación y la nucleación de grietas, lo que mejora en gran medida el rendimiento ante la fatiga del acero inoxidable 316L.
Después de la fabricación aditiva por láser, generalmente se requiere un tratamiento térmico de posprocesamiento para las piezas de acero inoxidable 316L, durante el cual la microestructura del acero inoxidable 316L puede cambiar, afectando su rendimiento ante la fatiga.
Los estudios muestran que después del recocido para aliviar tensiones a 470 ℃, la subestructura celular del acero inoxidable 316L formada mediante fabricación aditiva por láser no cambia significativamente, por lo tanto, el recocido para aliviar tensiones a baja temperatura no afecta en gran medida su resistencia a la fatiga.
Sin embargo, cuando la temperatura del tratamiento térmico es lo suficientemente alta, puede afectar la subestructura celular del acero inoxidable 316L formada mediante fabricación aditiva por láser, afectando así su rendimiento ante la fatiga.
Los defectos internos y la rugosidad sustancial de la superficie degradan significativamente el rendimiento a la fatiga del acero inoxidable 316L formado mediante fabricación aditiva por láser. Los estudios indican que las imperfecciones internas (como huecos y polvo sin fundir) y las superficies rugosas provocan una concentración de tensión localizada en el acero inoxidable 316L.
Estas áreas de concentración de tensiones tienden a ser los sitios iniciales para la nucleación de grietas por fatiga, promoviendo así la falla por fatiga. Además, la dirección de carga afecta notablemente el rendimiento a la fatiga del acero inoxidable 316L formado mediante fabricación aditiva por láser.
La resistencia a la fatiga del acero inoxidable 316L formado con láser es mayor cuando la dirección de carga es perpendicular a la dirección de formación, menor cuando son paralelas y menor en un ángulo de 45 grados.
Sin embargo, la investigación actual sobre los mecanismos de propagación de las grietas por fatiga en el acero inoxidable 316L formado con láser está en sus inicios y muchos mecanismos siguen sin estar claros o incluso son contradictorios.
5. Conclusión
El acero inoxidable 316L, con sus excepcionales propiedades combinadas de resistencia mecánica y a la corrosión, se encuentra entre los materiales de acero inoxidable más utilizados. Los métodos de fundición tradicionales producen acero inoxidable 316L con grano grueso y baja resistencia.
El procesamiento mecánico térmico refina significativamente el grano e introduce dislocaciones de alta densidad, lo que aumenta la resistencia del acero inoxidable 316L.
Sin embargo, este procedimiento es complejo y normalmente se utiliza para piezas con formas simples.
La tecnología de fabricación aditiva por láser, caracterizada por su deposición capa por capa y su rápida solidificación, permite un moldeo rápido de piezas complejas, impartiendo características organizativas únicas como granos pequeños, subestructuras celulares internas, límites de granos de ángulo pequeño de alta densidad y alta - dislocaciones de densidad, que no tienen comparación con los métodos metalúrgicos tradicionales.
La fabricación aditiva por láser de acero inoxidable 316L produce una resistencia y plasticidad superiores en comparación con el acero inoxidable 316L preparado mediante métodos metalúrgicos tradicionales.
Sin embargo, la tecnología de fabricación aditiva por láser aún se encuentra en las primeras etapas de investigación y aplicación. Los estudios futuros deberían explorar más a fondo las microestructuras y los comportamientos mecánicos del acero inoxidable 316L moldeado mediante fabricación aditiva por láser, junto con una investigación en profundidad del impacto de los parámetros del proceso en la estructura y el rendimiento.
El control preciso del proceso de fabricación proporcionará más soporte técnico para su amplia aplicación industrial.
Además, controlar la textura cristalográfica para mejorar la anisotropía del rendimiento del acero inoxidable 316L moldeado mediante fabricación aditiva por láser y desentrañar sus patrones de propagación de grietas por fatiga son áreas esenciales de investigación futura.
