Optimizar el diseño de las aleaciones para la fabricación por adición
La industria manufacturera europea afronta retos continuos derivados de la competencia mundial y de un cambio hacia la eficiencia energética y de recursos. Los nuevos materiales metálicos endurecidos por dispersión de óxidos (ODS) podrían suponer avances importantes para la industria de procesos europea, gracias a la creación de dispositivos de alta temperatura integrados en sensores, como los quemadores de gas e intercambiadores de calor. En el proyecto topAM(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, un consorcio de investigación se propuso desarrollar nuevas vías de transformación para crear materiales ODS a base de diversos metales dispersos con partículas de óxido y nitruro de tamaño nanométrico. El objetivo del proyecto es ofrecer nuevos materiales metálicos nanoestructurados que puedan construirse en estructuras de formas complejas mediante impresión 3D, es decir, fusión láser por lecho de polvo (PBF-LB/M). «Las aleaciones ODS desarrolladas pueden utilizarse en atmósferas altamente carburizantes y oxidantes con temperaturas de operación de hasta1 400 °C, por ejemplo en plantas de gas de síntesis para la producción de hidrógeno», afirma Ulrich Krupp(se abrirá en una nueva ventana), catedrático y director de Ingeniería de los Materiales Metálicos en el Instituto del Acero IHEK de la Universidad Técnica de Aquisgrán. «Esto se demostró en una prueba de quemador de gas utilizando una superaleación reforzada con base de Ni impresa en 3D». La investigación podría ayudar no solo a las industrias manufactureras, sino también al desarrollo de centrales eléctricas limpias y a gran escala. Muchas de las tecnologías punteras de generación de energía dependen del uso seguro y eficiente de materiales y dispositivos de alta temperatura.
Integrar la ingeniería computacional en la producción de las ODS
Para mejorar el proceso de producción de las ODS, el equipo utilizó una ruta de desarrollo guiada por ingeniería de materiales computacional integrada (ICME, por sus siglas en inglés). Se utilizó la termodinámica computacional para predecir la aparición de las distintas fases dentro de las aleaciones complejas, en función de su composición química individual. «En un siguiente paso, utilizamos modelos para predecir la duración de la fluencia de las aleaciones en función del tamaño y la fracción volumétrica de las partículas de la ODS», explica Krupp. Así el equipo logró simular la concentración necesaria del elemento de aleación formador de partículas.
Mejorar la modificación del polvo mediante las nanopartículas
En topAM se comenzó con una serie de posibles vías de modificación del polvo para integrar las nanopartículas en el proceso de producción. Con esta investigación se descubrió que los procesos de nitruración interna daban los mejores resultados. Durante la atomización con gas, que atomiza la aleación líquida mediante una mezcla a alta presión de argón y nitrógeno, la pequeña concentración de titanio en las gotitas de aleación puede reaccionar «in situ» con la corriente de gas nitrógeno. «Se obtuvo un resultado similar exponiendo el polvo de aleación a una atmósfera de nitruración de un reactor de lecho fluidizado "ex situ"», señala Krupp, coordinador del proyecto topAM. Con la microscopía electrónica de alta resolución se mostró que las partículas nanométricas de nitruro de titanio estaban distribuidas de manera uniforme. «Las muestras impresas en 3D utilizando el respectivo polvo ODS mostraron propiedades mecánicas superiores, en particular a altas temperaturas», afirma Krupp. El desarrollo de aleaciones ODS guiado por la ICME y la modificación del polvo mediante el reactor de lecho fluidizado ya son objeto de solicitudes de patente, y se han iniciado proyectos de seguimiento. Esto incluye diferentes campos de aplicación, como las aplicaciones aeroespaciales y los interruptores de alta tensión.
Reforzar la capacidad de fabricación europea
Las aleaciones ODS proporcionan combinaciones únicas de fuerza, fluencia y resistencia a la corrosión a temperaturas muy elevadas, mientras que la impresión en 3D por fusión por lecho de polvo permite un diseño altamente individualizado. «Así se cumplen los requisitos estructurales y funcionales de productos exigentes, como los utilizados en aplicaciones aeroespaciales y tecnologías energéticas», añade Krupp. «La industria de procesos y las unidades de refrigeración de alta eficiencia en microelectrónica a gran escala también pueden materializarse para mantener la competitividad y la independencia de Europa en segmentos de mercado crecientes y estratégicos».
