18Ni300 Aleación Polvo Acero Inoxidable Níquel En 3D Priting

Escrito por：Tresa M. Pollock

La Dra. Tresa M. Pollock es Catedrática Distinguida Alcoa de Materiales en la Universidad de California, Santa Bárbara, y miembro de la Academia Nacional de Ingeniería de Estados Unidos. Es licenciada en Ingeniería Metalúrgica por la Universidad de Purdue y doctora en Ciencia e Ingeniería de Materiales por el MIT.

Sus investigaciones abarcan el diseño de aleaciones, la caracterización de materiales tridimensionales, el procesamiento y rendimiento de materiales estructurales en entornos extremos y las interacciones ultrarrápidas con láser. La Dra. Pollock ha recibido numerosos reconocimientos, entre ellos becas de sociedades profesionales como la TMS y la ASM, y cargos directivos como el de expresidenta de la Sociedad de Minerales, Metales y Materiales.

En el mundo de los materiales metálicos de alto rendimiento, el acero martensítico envejecido es sin duda la estrella brillante. Con su excepcional resistencia ultra alta, excelente tenacidad y buena trabajabilidad, ocupa una posición insustituible en muchos campos de vanguardia. En este tipo de acero, el acero martensítico envejecido 18Ni300, como muestra su número, con un contenido de níquel de hasta 18%, es uno de los más destacados. Está mostrando cada vez más amplias perspectivas de aplicación en el sector aeroespacial, la fabricación de moldes de precisión y piezas mecánicas de alto rendimiento con requisitos de rendimiento extremadamente estrictos. La aparición del 18Ni300 ha resuelto en cierta medida el cuello de botella de los aceros tradicionales de alta resistencia en cuanto a tenacidad y comportamiento a la fatiga.

Este artículo analizará las ventajas únicas del polvo de aleación 18Ni300. Exploraremos cómo su exquisita composición química le confiere unas propiedades mecánicas extraordinarias, así como las aplicaciones y superficies de vanguardia que aporta el polvo de aleación 18Ni300 en el actual campo de alto perfil de la fabricación aditiva.

por qué elegir 18Ni300:

Entre las muchas aleaciones, ¿por qué favorecemos la 18Ni300? El polvo de aleación 18Ni300, especialmente su posición única en el sistema de aleaciones de acero inoxidable a base de níquel, es un ejemplo de la combinación perfecta de rendimiento y aplicación.

Resistencia y tenacidad ultraelevadas: Tiene un equilibrio perfecto entre límite elástico, resistencia a la tracción y tenacidad a la fractura. En el campo del acero tradicional, a menudo hay que elegir entre resistencia y tenacidad. Pero el 18Ni300, como el todoterreno, proporciona una resistencia extrema muy superior a la del acero tradicional, manteniendo al mismo tiempo una excelente tenacidad a la fractura, lo que lo convierte en el material perfecto para diseñar componentes clave que deban soportar grandes esfuerzos y cargas de impacto elevadas.

Excelente estabilidad dimensional: En el campo de la fabricación de precisión, la estabilidad dimensional de los materiales es uno de los factores clave que determinan el éxito o el fracaso de los productos. El 18Ni300 se comportó excepcionalmente bien en este sentido. Su menor temperatura de transformación en martensita significa que

Buena maquinabilidad: No se fije en su resistencia final tan elevada, en estado recocido, 18Ni300 es en realidad relativamente "dócil", con un buen rendimiento de mecanizado. Esto significa que antes del proceso de endurecimiento final, podemos cortar, taladrar y otras operaciones, mejorando en gran medida la flexibilidad y la eficiencia de fabricación. Lo que vale la pena mencionar es que cuando está en forma de polvo, es muy adaptable a los procesos de fabricación aditiva (como SLM, EBM). Personalmente, creo que la combinación de pulvimetalurgia y fabricación aditiva es una dirección importante para el futuro desarrollo del 18Ni300. Nos ofrece infinitas posibilidades para superar las limitaciones geométricas de la fabricación tradicional y realizar el moldeo integrado de estructuras complejas.

Ámbitos de aplicación: Debido a estas excelentes características, los ámbitos de aplicación del 18Ni300 son cada vez más amplios, y todos ellos de "alta precisión". Por ejemplo, los componentes del tren de aterrizaje de la industria aeroespacial y diversas piezas estructurales, su alta resistencia y alta tenacidad para garantizar la seguridad de vuelo. Los moldes de alto rendimiento, especialmente los moldes de fundición a presión y los moldes de plástico, el 18Ni300 puede soportar altas temperaturas y altas presiones, lo que prolonga considerablemente la vida útil de los moldes. En el campo de las carreras, la ligereza y la alta resistencia son la eterna búsqueda, los componentes de aleación 18Ni300 pueden mejorar significativamente el rendimiento de los vehículos. Incluso puede verse en instrumentos médicos, como herramientas quirúrgicas o implantes. En definitiva, siempre que se trate de la resistencia, la tenacidad y la estabilidad dimensional de la ocasión, 18Ni300 es una opción prioritaria.

¿Qué significa 18Ni300 media?

“18”: El contenido de níquel (Ni) en esta aleación es de aproximadamente 18% en peso. El níquel no sólo es un elemento clave en la formación de martensita, sino también un factor decisivo en el posterior endurecimiento por envejecimiento. Sin suficiente níquel, las propiedades de esta aleación quedan fuera de juego. Siempre me gusta pensar en él como el "esqueleto" de la aleación, que soporta todo el sistema de rendimiento.

"Ni": esto es más intuitivo, señaló claramente que esta es la aleación a base de níquel, o al menos el contenido de níquel es muy significativa aleación. En el mundo de las aleaciones, la identificación de los elementos es crucial, lo que nos permite bloquear rápidamente en las grandes categorías y propiedades potenciales de los materiales.

“300”: Este número representa el índice típico de resistencia a la tracción de esta aleación tras una serie de tratamientos térmicos, normalmente en KSI (kilopulgadas por pulgada cuadrada), que es de unos 300 KSI, convertido a la unidad más familiar, es de unos 2070 MPa. Este es su índice de rendimiento mecánico más importante. Cuando los ingenieros me dicen que necesitan un material de alta resistencia, lo primero que pienso es en estas aleaciones con marcas digitales de alta resistencia.

Composición química 18Ni300:

Los principales elementos de aleación y su papel:

• Níquel (Ni, ~ 17,0-19,0%): El níquel es el elemento "alma" del acero martensítico envejecido. No sólo estabiliza la austenita, sino que reduce el punto de transformación martensítica y garantiza la obtención de una matriz martensítica blanda, esencial para el posterior endurecimiento por envejecimiento. Y su presencia mejora significativamente la tenacidad de la aleación, ya saben, alta resistencia sin tenacidad, eso no es lo que queremos. Aún mejor, el níquel es también la base para la formación de muchos precipitados clave.
• Cobalto (Co, ~ 8,5-9,5%): El cobalto es un poco acelerador para mí ". Puede aumentar la temperatura de transformación en martensita, lo que significa que es más fácil formar martensita durante el enfriamiento. Al mismo tiempo, el cobalto también puede reducir sutilmente la solubilidad del níquel en el hierro, lo que suena un poco contraintuitivo, pero de hecho, puede acelerar la formación de fases precipitadas durante el proceso de envejecimiento, mejorando así la dureza más rápida y eficazmente.
• Molibdeno (Mo, ~ 4,6-5,2%): El molibdeno desempeña múltiples funciones en el 18Ni300. En primer lugar, puede aumentar la resistencia de la matriz mediante el refuerzo de la solución sólida. En segundo lugar, ayuda a refinar el grano e inhibir la migración del límite de grano, lo que es muy beneficioso para mejorar las propiedades mecánicas globales del material. Por supuesto, lo más importante es que el molibdeno formará compuestos intermetálicos con el níquel, como Ni3Mo, que precipitan durante el proceso de envejecimiento y contribuyen aún más a la mejora de la dureza de la aleación.
• Titanio (Ti, ~ 0,6-0,8%): Cuando se trata de endurecimiento por envejecimiento, ¡nunca podemos ignorar el titanio! En mi opinión, el titanio es la clave de la "explosión de dureza" del 18Ni300. Forma compuestos intermetálicos como Ni3Ti con el níquel, y estos precipitados a nanoescala se dispersan en la matriz de martensita para formar fuertes puntos de anclaje de dislocaciones, mejorando así significativamente el límite elástico y la dureza del material. Puede decirse que sin titanio no existiría el 18Ni300 icónico de alta resistencia.
• Aluminio (Al, ~ 0,05-0,15%): Aluminio en esta fórmula, aunque la cantidad no es mucho, pero el efecto no es pequeño. En primer lugar, es un desoxidante eficaz que nos ayuda a controlar el contenido de oxígeno en el proceso de fundición. En segundo lugar, el aluminio también puede refinar los granos hasta cierto punto. Por supuesto, también puede intervenir en algunos mecanismos complejos de refuerzo de la precipitación.

Control de oligoelementos:

Como científico de materiales, tengo una exigencia casi paranoica en cuanto a la "pureza" de los materiales. Controlamos estrictamente el contenido de impurezas nocivas como el carbono (C), el azufre (S) y el fósforo (P), que son como la "oveja negra" de la aleación ". Un contenido excesivo de carbono afectará a la soldabilidad y la tenacidad; el azufre y el fósforo forman fácilmente compuestos de bajo punto de fusión en los límites de grano, lo que provoca la fragilización del material. Por lo tanto, mantener su contenido a un nivel muy bajo es esencial para garantizar el excelente rendimiento de 18Ni300.

Para hacerlo más intuitivo, he compilado una tabla que muestra el rango de composición química típica de 18Ni300.

Tabla: Gama de composición química típica de 18Ni300 (porcentaje en peso)

Elemento	Contenido(%)
Ni	17.0-19.0
Co	8.5-9.5
Mo	4.6-5.2
Ti	0.6-0.8
Al	0.05-0.15
C	<0.03
S	<0.01
P	<0.01
Fe	Saldo

Aplicación y retos del polvo de aleación 18Ni300 en la fabricación aditiva

Efecto sinérgico de la pulvimetalurgia y la fabricación aditiva

La razón por la que 18Ni300 puede combinarse perfectamente con la fabricación aditiva es que su forma en polvo es el núcleo. La fabricación aditiva, o impresión 3D como solemos decir, consiste esencialmente en "construir bloques", apilando materiales capa por capa. ¿Cómo podemos conseguir esas geometrías complejas sin la forma en polvo? A menudo insisto a mis alumnos en que la fluidez, la densidad aparente y la uniformidad del polvo -parámetros aparentemente triviales- determinan directamente la calidad y la eficacia de nuestra impresión final. Especialmente en el caso de la aleación de alto rendimiento 18Ni300, la alta pureza y la perfecta esfericidad del polvo son fundamentales para garantizar el rendimiento de la impresión.

En la actualidad, hay dos tipos principales de tecnologías de fabricación aditiva que utilizamos con más frecuencia. La primera es fusión por láser en lecho de polvo (L-PBF), que utiliza un láser de alta energía para fundir selectivamente sobre una densa capa de polvo, lo que resulta especialmente adecuado para fabricar piezas complejas que requieren una precisión extremadamente alta. La otra es fusión por haz de electrones (EBM), que funciona en un entorno de vacío y funde el polvo con un haz de electrones. La EBM es más eficiente energéticamente y puede reducir eficazmente la tensión residual, pero la desventaja es que la rugosidad de la superficie puede ser ligeramente inferior.

Independientemente de la tecnología, los requisitos de calidad del polvo son casi estrictos. La distribución del tamaño de las partículas del polvo suele estar entre 15-45 micras o 20-63 micras, y este rango debe controlarse estrictamente. También hay que tener en cuenta la esfericidad, el contenido de polvo satélite, el contenido de oxígeno y la morfología de la superficie del polvo, que afectan directamente a la estabilidad del proceso de fabricación aditiva y a la densidad y propiedades mecánicas de la pieza final.

Efecto del proceso de fabricación aditiva en las propiedades de 18Ni300

La belleza de la fabricación aditiva es su "velocidad". Pero esta velocidad también conlleva retos únicos.

efecto de solidificación rápida

Durante la fabricación aditiva, los materiales se someten a un ciclo extremo de calentamiento y enfriamiento rápidos. En el caso del 18Ni300, esto significa que su microestructura y su proceso de transición de fase serán muy diferentes a los del proceso tradicional. El enfriamiento rápido hace que los granos se vuelvan extremadamente finos, formando lo que llamamos una estructura martensítica ultrafina. A veces, este enfriamiento rápido puede incluso inhibir la formación de ciertos precipitados de envejecimiento, o cambiar su morfología.

Desde el punto de vista del rendimiento, el refuerzo de grano fino suele mejorar la resistencia inicial del material, lo que suena muy bien. Sin embargo, también hay que ver el reto. La orientación de los cristales y los desniveles del tejido causados por la solidificación rápida pueden provocar anisotropía en el producto impreso, lo que debe tenerse muy en cuenta para nuestro diseño y aplicación posteriores.

tensión residual y agrietamiento

tensiones residuales, que constituyen un problema a largo plazo en el ámbito de la fabricación aditiva. Los gradientes de alta temperatura, el enfriamiento rápido del material y la contracción desigual son causas de tensiones residuales. He visto demasiadas piezas alabeadas y deformadas debido a la tensión residual, e incluso macro o microfisuras. Esto es realmente un quebradero de cabeza, al fin y al cabo, nadie quiere que las piezas impresas con tanto esfuerzo se queden cortas.

Para resolver este problema, solemos adoptar algunas estrategias, como precalentar el sustrato, optimizar la estrategia de escaneado (el escaneado en tablero de ajedrez es un método común), ajustar la potencia y la velocidad del láser o del haz de electrones, por supuesto, el tratamiento térmico posterior, especialmente el recocido de alivio de tensiones, también es esencial.

Control de la densidad y los defectos

La densidad de las piezas, creo que es la piedra angular del éxito de la fabricación aditiva. Si la densidad no es alta, es imposible hablar de otras propiedades, especialmente el rendimiento a fatiga. Hay que empezar por el origen, es decir, controlar la calidad del polvo: fluidez, densidad aparente, distribución granulométrica y pureza, que son la base para obtener impresiones de alta densidad.

A continuación, la optimización de los parámetros del proceso, como la potencia del láser, la velocidad de escaneado, la separación entre líneas y el grosor de la capa, que afectan directamente a la densidad de energía, debe garantizar que el polvo pueda fundirse por completo y formar un baño de fusión estable. Al mismo tiempo, la estrategia de escaneado también es fundamental para evitar la sobrecombustión o la subcombustión y optimizar el área de refundición. Los defectos comunes, como la fusión incompleta, la porosidad y las inclusiones, debemos intentar por todos los medios evitarlos.

La importancia de los procesos posteriores al tratamiento

Las piezas fabricadas mediante aditivos suelen requerir una serie de procesos posteriores. De ellos, dos procesos son cruciales.

Prensado isostático en caliente (HIP)

El prensado isostático en caliente, denominado HIP, es el "asesino" para eliminar los poros internos ". En un entorno de alta temperatura y alta presión, el material sufrirá deformación plástica y fluencia por difusión, de modo que se cierran los poros internos aislados. A menudo lo comparo con dar a la pieza un "masaje" profundo para hacerla más densa por dentro.

Tras el tratamiento HIP, la densidad del material mejorará significativamente, y las propiedades mecánicas también darán un salto cualitativo, incluidos el límite elástico, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la vida a fatiga. Mi experiencia me dice que el rendimiento de las piezas de 18Ni300 de fabricación aditiva tratadas con HIP puede aproximarse mucho al de las piezas forjadas tradicionales. Los parámetros que utilizamos habitualmente suelen ser alta temperatura (como 1150-1200°C), alta presión (como 100-150 MPa) y mantenimiento durante 2-4 horas.

Tratamiento térmico

El tratamiento térmico, especialmente el tratamiento en solución y el tratamiento de envejecimiento (solución-temple-envejecimiento), es un paso clave para inducir el endurecimiento por precipitación del 18Ni300 y optimizar las propiedades mecánicas.

El primero es el solución tratamiento. Su finalidad es permitir que los elementos de la aleación, especialmente el titanio, el molibdeno y el cobalto, se disuelvan completamente en la matriz martensítica. Esto no sólo elimina la tensión interna, sino que también permite que la organización sea más uniforme.

El siguiente es el tratamiento del envejecimiento. Este es un momento crítico para la explosión del rendimiento del 18Ni300. A una temperatura moderada (normalmente 480-520°C) durante un periodo de tiempo, veremos que los compuestos intermetálicos ricos en níquel, titanio y molibdeno (como Ni3Ti, Ni3Mo) se precipitan uniformemente en la matriz de martensita para formar una fase de refuerzo de dispersión a nanoescala. Estos pequeños precipitados son como innumerables "clavos de acero", que mejoran enormemente la dureza y la resistencia del material.

Los parámetros típicos de tratamiento térmico sugeridos son: tratamiento en solución a 815-830°C durante 1 hora, seguido de enfriamiento por aire o temple en agua; tratamiento de envejecimiento a 480-520°C durante 3-6 horas, seguido de enfriamiento por aire. No obstante, cabe recordar que, debido a su microestructura única, los parámetros óptimos de tratamiento térmico de la fabricación aditiva de 18Ni300 pueden ser diferentes de los de las piezas de fundición y forja tradicionales, por lo que aún es necesario realizar un trabajo de optimización.

En resumen, el polvo de acero martensítico envejecido 18Ni300 ha mostrado amplias perspectivas de aplicación en el sector aeroespacial, moldes de precisión y fabricación de maquinaria de alto rendimiento debido a su resistencia ultra alta, excelente tenacidad y buena estabilidad dimensional. Especialmente en la fabricación aditiva (impresión 3D), el polvo de aleación 18Ni300 ofrece una nueva solución para el diseño de estructuras complejas y la fabricación ligera gracias a sus excelentes características y adaptabilidad. Mediante un control razonable de la calidad del polvo, la optimización de los parámetros del proceso, y combinado con el prensado isostático en caliente y el tratamiento térmico y otros medios de postprocesado, el rendimiento integral de las piezas de 18Ni300 ha sido comparable o incluso mejor que el de las piezas forjadas tradicionales. Es previsible que con la continua madurez de la pulvimetalurgia y la tecnología de fabricación aditiva, el acero martensítico envejecido 18Ni300 se convierta en un importante material de apoyo para la fabricación de alta gama y en una fuerza clave para promover el desarrollo de la tecnología de fabricación avanzada en el futuro.