Tratamientos térmicos

Los materiales procesados mediante fabricación aditiva (FA) suelen mostrar defectos propios del proceso o relacionados con el material procesado. En ambos casos, la utilización de post tratamientos térmicos y/o compresión isostática en caliente (HIP) es muy común para eliminar o mitigar estos defectos y conseguir las propiedades mecánicas requeridas.ipos físicos donde es posible realizar una validación visual, así como funcional de un producto desde las primeras fases del proceso de diseño y desarrollo del mismo.

Defectos originados por el material

Algunos materiales son susceptibles al agrietamiento debido a fenómenos como la licuación, la solidificación (agrietamiento en caliente), recalentamiento etc. Otras aleaciones suelen ser propensas a la formación de estrés residual como por ejemplo aleaciones de titanio.

El polvo inicial utilizado también puede afectar en las propiedades del material tras su procesado con tecnologías aditivas. En función de la solubilidad del gas en el material se pueden formar poros de gas que actúen como punto de inicio para fracturas.

Es importante saber que la soldabilidad es un buen indicador para conocer la susceptibilidad al agrietamiento de una aleación durante el proceso de fabricación aditiva.

Defectos originados por el proceso

La FA de metales es un proceso muy energético en el que se utilizan láseres o haces de electrones para fundir completamente el material. La energía utilizada durante el proceso determina la historia térmica y por lo tanto tiene influencia en la microestructura y propiedades mecánicas.

En FA se utiliza el concepto de la densidad de energía (función de potencia de láser, velocidad de escaneo, diámetro del haz, espesor de capa y “hatch spacing” para definir la “ventana de procesamiento” donde se consigue densidad completa. Sin embargo, si la densidad de energía utilizada no es correcta se pueden generar diferentes defectos: porosidad por falta de fusión, porosidad tipo “keyhole”, etc.

Los materiales fabricados mediante fabricación aditiva de fusión de lecho de polvo (PBF-LB/M, PBF-EB/M…) contienen una mezcla de microestructuras de soldadura y fundición. Por ello, sufren de integridad estructural y problemas direccionales. Los materiales procesados por FA tienen propiedades heterogéneas en función de la orientación de fabricación. Los granos suelen crecer en la orientación Z o de fabricación (“build direction”).

HIP para cerrar porosidad y otras ventajas

HIP es un tratamiento térmico que combina altas presiones isostáticas (100-200 MPa) y altas temperaturas (hasta 2000 ºC). HIP es capaz de cerrar grietas y porosidad interna de diferentes materiales de FA.

Sin embargo, debido a que la presión se aplica con un gas, el proceso HIP no es capaz de cerrar grietas externas ni porosidad abierta.

En ocasiones puede aparecer porosidad inducida térmicamente (TIP) cuando los tratamientos térmicos se realizan a temperaturas superiores a la temperatura de HIP. En este caso, los poros cerrados durante el proceso HIP pueden reabrirse. Además, el proceso de HIP estándar no es capaz de conseguir propiedades isótropas y presenta problemas direccionales. El diseño de ciclos HIP optimizados para FA puede ayudar a homogenizar la microestructura y alcanzar las propiedades isótropas deseadas.

Hay que tener cuidado con el tratamiento térmico (TT) elegido después de FA + HIP. El proceso de FA se tiene que desarrollar teniendo en cuenta toda la cadena de procesos (desde el polvo inicial-proceso FA-postprocesos). Es importante tener una VISIÓN GLOBAL.

Tratamientos Térmicos para FA

La aplicación de tratamientos térmicos (TT) en componentes metálicos es una práctica muy común desde hace siglos: temples, recocidos, revenido, alivio de tensiones, etc. No obstante, los TT estándares están diseñados para los procesos de fabricación tradicionales: forja y fundición. Tanto la microestructura como los defectos de los componentes procesados por FA son muy diferentes a los conseguidos con los métodos de fabricación tradicionales y por ello los tratamientos térmicos estándares no son siempre la mejor opción. A continuación, se muestran ejemplos de tratamientos térmicos alternativos utilizados para componentes aditivos.

Tratamientos Térmicos para superaleaciones de Ni

La superaleación IN718 endurece por precipitación de las fases γ´ y γ´´. Las microestructuras tras el proceso aditivo PBF-LB muestran precipitación de fases Laves Interdendríticas y ausencia de precipitados γ´ y γ´´, lo que lleva a bajas propiedades mecánicas. Tras realizar TT de solución y envejecimiento la resistencia aumenta alcanzando valores comparables a los materiales de forja, pero la ductilidad disminuye, aunque sigue siendo comparable a los valores reportados para forja o fundición.

Tratamientos Térmicos para aleaciones de Ti

A continuación, se muestra un caso de uso estudiado en el proyecto CEFAM.

La aleación Ti6Al4V PBF-LB en estado as-built muestra microestructura dendrítica con martensita α´ que muestra alta resistencia, pero una ductilidad muy baja. Además, las tensiones residuales del material PBF-LB en estado as-built son muy altas.

Tras someter la aleación a diferentes tratamientos térmicos, la microestructura transforma a α+β. Sin embargo, ni el tratamiento de alivio de tensiones ni los estándares con y sin HIP son los más adecuados y usar tratamientos alternativos (i.e tratamiento a 850 ºC) muestran propiedades de tracción y fatiga mejoradas.

En las aleaciones de titanio es muy importante tener un buen control de la atmosfera durante el tratamiento térmico debido a la gran afinidad del titanio con el oxígeno. Si el nivel de oxígeno es elevado durante el ciclo térmico, se genera “α case”, una fase superficial enriquecida con oxigeno que es frágil y actúa como punto de inicio y propagación de grietas, reduciendo la vida a fatiga del material. Tanto el control de la atmosfera como post procesados tipo arenado pueden evitar esta fase y mantener buenas propiedades mecánicas.

Tratamientos Térmicos para aceros

17-4PH: Los tratamientos térmicos tienen que ser capaces de romper la microestructura dendrítica producida durante la solidificación en el proceso PBF-LB y aliviar la micro -segregación. Como resultado se quiere obtener una microestructura BCC/martensita con alrededor de 10 % FCC/austenita. Los TT estándares para 17-4PH de forja no son capaces de conseguir está microestructura en el material producido por PBF-LB y es más preferible utilizar el AMS5355 para fundición.

316L: El acero inoxidable 316L PBF-LB en estado as-built tiene una distribución heterogénea de soluto que da como resultado unas propiedades no óptimas. En este tipo de material se ha demostrado que se necesita un tratamiento a 850 ºC para conseguir una microestructura homogénea.

Conclusiones

• Los tratamientos HIP y TT convencionales no son siempre los mas adecuados para FA (normalmente optimizados para forja y fundición).
• Los post TT son necesarios para ajustar la microestructura y por tanto las propiedades mecánicas de los materiales de FA. Cada material necesita su propio TT.
• El HIP puede cerrar poros y grietas internas de diferentes materiales de FA. Pero aunque siempre es recomendable, no siempre es necesario para FA.

Referencias:

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• https://teratec.eu/library/pdf/forum/2019/presentations/Forum_Teratec_2019_A6_02_Alexandre_Hiricoiu_Ansys
• https://www.3dnatives.com/es/importancia-sostenibilidad-fabricacion-aditiva-261120212/
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