En los últimos años, ha sido posible utilizar rayos láser y rayos de electrones para "imprimir" objetos de ingeniería con formas complejas que no se podrían lograr con la fabricación convencional. El proceso de fabricación aditiva AM, o impresión 3D, para materiales metálicosimplica derretir y fusionar partículas de polvo de escala fina, cada una aproximadamente 10 veces más fina que un grano de arena de playa, en "piscinas" de escala submilimétrica creadas al enfocar un rayo láser o de electrones en el material.
"Los rayos altamente enfocados brindan un control exquisito, lo que permite 'sintonizar' las propiedades en ubicaciones críticas del objeto impreso", dijo Tresa Pollock, profesora de materiales y decana asociada de la Facultad de Ingeniería de UC Santa Bárbara. "Desafortunadamente,muchas aleaciones metálicas avanzadas que se utilizan en entornos extremadamente corrosivos y químicamente corrosivos que se encuentran en aplicaciones energéticas, espaciales y nucleares no son compatibles con el proceso de AM ".
El desafío de descubrir nuevos materiales compatibles con AM fue irresistible para Pollock, un científico de renombre mundial que realiza investigaciones sobre materiales y recubrimientos metálicos avanzados. "Esto fue interesante", dijo, "porque un conjunto de aleaciones altamente compatibles podría transformarla producción de materiales metálicos que tienen un alto valor económico, es decir, materiales que son costosos porque sus componentes son relativamente raros dentro de la corteza terrestre, al permitir la fabricación de diseños geométricamente complejos con un desperdicio mínimo de material.
"La mayoría de las aleaciones de muy alta resistencia que funcionan en entornos extremos no se pueden imprimir porque se agrietan", continuó Pollock, el profesor distinguido de materiales de la ALCOA. "Pueden agrietarse en su estado líquido, cuando un objeto aún se está imprimiendo, o en estado sólido, después de que el material es extraído y sometido a algunos tratamientos térmicos. Esto ha impedido que las personas empleen aleaciones que usamos actualmente en aplicaciones como motores de aeronaves para imprimir nuevos diseños que podrían, por ejemplo, aumentar drásticamente el rendimiento oeficiencia energética."
Ahora, en un artículo de la revista Comunicaciones de la naturaleza , Pollock, en colaboración con Carpenter Technologies, Oak Ridge National Laboratory, los científicos del personal de UCSB Chris Torbet y Gareth Seward, y los estudiantes de doctorado de UCSB Sean Murray, Kira Pusch y Andrew Polonsky, describe una nueva clase de superaleaciones que superaneste problema de agrietamiento y, por lo tanto, son una tremenda promesa para avanzar en el uso de AM para producir componentes complejos únicos para su uso en entornos de alto estrés y alto rendimiento.
La investigación fue apoyada por una beca de la facultad Vannevar Bush VBFF de $ 3 millones que Pollock recibió del Departamento de Defensa de EE. UU. En 2017.
En el artículo, los autores describen una nueva clase de superaleaciones de alta resistencia, resistentes a defectos e imprimibles en 3D, definidas como aleaciones típicamente a base de níquel que mantienen la integridad del material a temperaturas de hasta el 90% de su punto de fusión. La mayoríaLas aleaciones se deshacen al 50% de sus temperaturas de fusión. Estas nuevas superaleaciones contienen aproximadamente partes iguales de cobalto Co y níquel Ni, además de cantidades más pequeñas de otros elementos. Estos materiales se pueden imprimir en 3D sin fisuras mediante fusión por haz de electrones EBM, así como los enfoques de lecho de polvo láser más desafiantes, lo que los hace ampliamente útiles para la gran cantidad de máquinas de impresión que están ingresando al mercado.
Debido a sus excelentes propiedades mecánicas a temperaturas elevadas, las superaleaciones a base de níquel son el material de elección para componentes estructurales como álabes y álabes de turbina monocristalina SX utilizados en las secciones calientes de los motores de avión. En una variación de unsuperaleación que el equipo desarrolló, dijo Pollock, "El alto porcentaje de cobalto nos permitió diseñar características en los estados líquido y sólido de la aleación que la hacen compatible con una amplia gama de condiciones de impresión".
El desarrollo de la nueva aleación fue facilitado por trabajos previos realizados como parte de proyectos financiados por NSF alineados con la Iniciativa Nacional de Genoma de Materiales, que tiene el objetivo subyacente de apoyar la investigación para abordar los grandes desafíos que enfrenta la sociedad mediante el desarrollo de materiales avanzados "dos veces másrápido a la mitad del costo ".
El trabajo NSF de Pollock en esta área se llevó a cabo en colaboración con los profesores de materiales de UCSB Carlos G. Levi y Anton Van der Ven. Sus esfuerzos consistieron en desarrollar e integrar un conjunto de herramientas de diseño de aleaciones computacionales y de alto rendimiento necesarias para explorar el gran componente multicomponenteEspacio de composición requerido para descubrir nuevas aleaciones. Al discutir el nuevo artículo, Pollock también reconoció el importante papel del entorno de investigación colaborativa en la Facultad de Ingeniería que hizo posible este trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por James Badham. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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