18ni300 Aleación Polvo Acero Inoxidable Níquel

Autor：Enrique J. Lavernia

Enrique J. Lavernia es un reputado científico de materiales y profesor de la Universidad A&M de Texas, reconocido por sus contribuciones pioneras a la fabricación aditiva. Su investigación se centra en los polvos metálicos, incluida su atomización, características e impacto en la calidad de las piezas, así como en la evolución microestructural y el rendimiento mecánico de las aleaciones avanzadas durante los procesos aditivos.

Ha avanzado en la comprensión y aplicación de materiales complejos como las aleaciones de aluminio y las aleaciones de alta entropía en AM, y es coautor de obras autorizadas sobre polvos metálicos para fabricación aditiva, influyendo significativamente tanto en la investigación científica como en la práctica industrial.

Análisis en profundidad del polvo de aleación 18ni300

Composición básica y clasificación de materiales:

El nombre "18Ni300" es en realidad muy intuitivo. Nos transmite dos mensajes clave: 18% Contenido en níquel y el Resistencia a la tracción de 300 ksi (unos 2070 MPa) que por fin puede alcanzar.

Aquí hay que destacar un punto importante: la 18Ni300 no es acero inoxidable, es el acero martensítico envejecido 1 (Maraging Steel). En términos de clasificación estricta de materiales, pertenece a la categoría de aleaciones de alta resistencia a base de níquel. El acero inoxidable depende principalmente del cromo para formar una película pasiva que resista la corrosión, mientras que el acero martensítico envejecido es completamente otro 1.

¿Qué hace que tenga tan buen rendimiento? Principalmente estos elementos de aleación:

• Níquel (Ni), alrededor de 18%, es un elemento central que forma una matriz martensítica y proporciona una excelente tenacidad.
• Cobalto (Co) suele estar entre 8-12%. Su función principal es aumentar la temperatura de transformación de la martensita y favorecer la precipitación de compuestos intermetálicos durante el proceso de envejecimiento.
• Molibdeno (Mo), normalmente entre 3-5%, contribuye al fortalecimiento de la solución sólida y favorece el endurecimiento por envejecimiento junto con el níquel y el cobalto.
• Titanio (Ti) y aluminio (Al) suelen estar presentes en menor cantidad, pero son esenciales. Forman compuestos intermetálicos finos (como Ni3Ti, Ni3Al) durante el tratamiento de envejecimiento, y son estos precipitados a nanoescala los que confieren a 18Ni300 una resistencia ultraelevada.

Ventajas únicas de rendimiento: ¿Por qué es tan importante?

En mi opinión, la razón por la que el 18Ni300 puede verse favorecido en el campo de la fabricación aditiva se debe principalmente a su combinación de propiedades.

• Resistencia ultra alta combinada con tenacidad: esta es su etiqueta más deslumbrante. Piense que, una vez finalizada la fabricación aditiva (como SLM o EBM), la resistencia a la tracción del material puede dispararse hasta casi 2000 MPa mediante un simple tratamiento térmico... tratamiento del envejecimiento -normalmente a 480-500°C durante varias horas- manteniendo una excelente tenacidad a la fractura. Esta combinación perfecta de resistencia y tenacidad es extremadamente rara en los materiales tradicionales. Para nosotros, la impresión 3D significa poder diseñar piezas ligeras y extremadamente resistentes.
• Excelente estabilidad dimensional: La deformación de 18Ni300 es muy pequeña durante el tratamiento térmico, especialmente el tratamiento de envejecimiento. Esto es sencillamente una ventaja para la fabricación de piezas de precisión. Todos sabemos que muchos materiales sufren una contracción o dilatación considerables tras el tratamiento térmico, lo que dificulta el control de la precisión dimensional, pero el 18Ni300 es muy estable en este sentido.
• Buena trabajabilidad: Aunque nos centramos principalmente en el rendimiento después de la impresión 3D, también es necesario mencionar la 1 frase. En estado recocido (es decir, cuando no está envejecido), su dureza es relativamente baja, muy fácil de procesar mecánicamente, como torneado, fresado. Esto es sin duda una ventaja para algunas piezas complejas que requieren post-procesamiento.
• Resistencia a la corrosión: Debo ser realista y decir que la resistencia a la corrosión del 18Ni300 no es su principal ventaja, después de todo, no es acero inoxidable. En algunos entornos específicos, funcionará bien, pero si su aplicación tiene unos requisitos elevados de resistencia a la corrosión, puede que necesite combinar un tratamiento de superficie o considerar otras aleaciones resistentes a la corrosión más profesionales. No espere que sea "cuero" como el acero inoxidable 316L ".

Cuestiones y oportunidades relacionadas con las propiedades de los materiales:

• Pregunta:
  • Sensibilidad a las grietas: Este es el 1er gran problema que encontramos al imprimir en 3D. El 18Ni300 es sensible a la tensión térmica en el proceso de impresión, especialmente en el caso de secciones transversales gruesas o estructuras geométricas complejas, en las que la acumulación de tensión interna puede provocar grietas fácilmente. Esto obliga a nuestros ingenieros a explorar y ajustar mucho la optimización de los parámetros de impresión y la estrategia de precalentamiento.
  • Control interno del estrés: Debido a la rápida fusión y solidificación, se generarán tensiones residuales en el interior de la pieza impresa, que no sólo afectan a las propiedades mecánicas de la pieza, sino que también pueden provocar deformaciones o incluso grietas. Por lo tanto, el tratamiento térmico después de la impresión es muy importante.
  • Optimización de los parámetros de impresión: Encontrar la mejor combinación de parámetros de impresión es un proceso largo y costoso. Cada dispositivo, cada lote de polvo e incluso la temperatura ambiente pueden afectar al resultado final, lo que nos obliga a invertir mucha energía en realizar verificaciones experimentales.
• Oportunidad:
  • Geometría compleja y diseño ligeroEsta es la mayor ventaja de la fabricación aditiva. La resistencia ultraelevada del 18Ni300 nos permite diseñar estructuras más finas y ligeras que sigan siendo lo bastante resistentes, como las estructuras de rejilla y las estructuras biónicas en el campo aeroespacial. Esto está fuera del alcance de los procesos de fabricación tradicionales.
  • Piezas personalizadas de alto rendimiento: Para algunas piezas especiales que requieren un rendimiento extremadamente alto y no necesitan demasiada producción, como insertos de moldes, piezas mecánicas de alto rendimiento e incluso algunos componentes clave de motores de cohetes, el 18Ni300 puede fabricarse rápida y eficazmente mediante impresión 3D, y su rendimiento supera con creces el de los procesos tradicionales.

Escenarios y casos de aplicación de 18ni300 en la fabricación aditiva

Ámbito aeroespacial:

Este es sin duda el hogar del 18Ni300. Componentes de satélites, álabes de turbinas de motores a reacción, diversos soportes complejos y piezas estructurales, todos ellos con estrictos requisitos de resistencia, tenacidad y ligereza de los materiales. La fabricación aditiva, combinada con el 18Ni300, permite diseños ligeros y elevadas relaciones resistencia/peso inimaginables con los procesos convencionales.

Y lo que es más importante, también puede imprimir piezas con complejos canales de refrigeración internos, lo que es sencillamente revolucionario en piezas de motor. El ciclo de fabricación también puede acortarse enormemente, lo que sin duda supone una gran ayuda para la industria aeroespacial con una rápida velocidad de iteración.

Por ejemplo, una vez entré en contacto con un proyecto, que consiste en fabricar un determinado tipo de soporte de nave espacial mediante impresión 3D 18Ni300. El resultado final es alentador, no sólo unos 30% menos de peso que el soporte de fabricación tradicional, sino también un mejor rendimiento en los indicadores clave de rendimiento. En ese momento, sentí realmente el enorme valor de esta tecnología.

Fabricación de moldes y herramientas sobre el terreno:

La demanda de la industria de moldes de alta dureza, resistencia al desgaste y eficacia de refrigeración hace que el 18Ni300 sea útil en la fabricación aditiva. Los insertos de moldes de inyección, los moldes de fundición a presión e incluso algunos utillajes pueden beneficiarse de este material y este proceso. La ventaja más destacada es la capacidad de diseñar e imprimir canales de refrigeración conformados. Esto no es ninguna broma, lo que significa que se puede hacer que el refrigerante esté lo más cerca posible de la cavidad del molde, mejorando así enormemente la eficacia de la refrigeración y acortando el ciclo de moldeo por inyección. Al mismo tiempo, la alta dureza y resistencia al desgaste también garantizan la vida útil del molde.

Recuerdo que hubo un fabricante de moldes de inyección que intentó utilizar insertos de molde 18Ni300 de impresión 3D, y el tiempo de enfriamiento se redujo en 15%. Este 15% supone una mejora real de la eficiencia y un ahorro de costes para su producción en serie. Esta mejora intuitiva me da confianza en el futuro de la fabricación aditiva.

Campo de los dispositivos médicos:

Aunque las aleaciones de titanio son más comunes en los implantes ortopédicos, las características de alta resistencia del 18Ni300 hacen que tenga un gran potencial en ciertos campos específicos de los dispositivos médicos, especialmente en piezas con elevados requisitos de carga.

La personalización es el punto fuerte de la impresión 3 D, especialmente importante en el campo médico, y puede imprimirse con precisión según la anatomía del paciente. Por supuesto, la biocompatibilidad requiere un tratamiento adicional de la superficie para optimizarla, pero su potencial como sustrato de alta resistencia está fuera de toda duda.

Otras aplicaciones de alto rendimiento:

Además de los campos mencionados, el 18Ni300 también tiene amplias perspectivas de aplicación en la industria del automóvil, el ámbito militar, los equipos deportivos de alta gama, etc. Todos estos ámbitos persiguen un rendimiento y una ligereza extremos, y la combinación de 18Ni300 y la fabricación aditiva satisface estas necesidades.

Flujo de procesos y consideraciones clave para la fabricación aditiva 18ni300

Selección del proceso de impresión 3D:

Cuando hablamos de impresión 3D para 18Ni300, lo primero que hay que hacer es elegir el proceso de impresión adecuado. Por el momento, la fusión por lecho de polvo láser (L-PBF/SLM) y la fusión por haz de electrones (EBM) son los dos procesos que más utilizamos.

L-PBF (SLM): Actualmente es la tecnología más utilizada. Funde el polvo metálico capa por capa mediante un haz láser de alta densidad energética. L-PBF ofrece muy buenos resultados en términos de densidad.

Las piezas impresas tienen una gran precisión y una calidad superficial relativamente buena. Pero el problema es que cuando L-PBF imprime un 18Ni300, la tensión residual es una gran molestia porque se enfría rápidamente y puede provocar fácilmente que las piezas se deformen o incluso se agrieten. Solemos tomar algunas medidas de calentamiento o ajustar la estrategia de escaneado para mitigarlas, pero su eliminación completa es casi imposible.

EBM: En cambio, la EBM utiliza un haz de electrones como fuente de calor, funciona en un entorno de vacío y tiene una temperatura de precalentamiento más elevada. Esto hace que el problema de la tensión residual sea mucho mejor cuando la EBM manipula 18Ni300, y el riesgo de deformación se reduce considerablemente. Además, la eficacia de conformado de la EBM suele ser un poco mayor. Sin embargo, las EBM suelen tener peor rugosidad superficial que las L-PBF, y los costes de equipamiento y la complejidad operativa son relativamente altos.

Características y gestión de la pólvora:

En el caso del 18Ni300, una aleación de alto rendimiento, la calidad del polvo es clave para hacer o deshacer una impresión.

La importancia de la calidad del polvo: nos centramos en la distribución del tamaño de las partículas: demasiado gruesas y demasiado finas no funcionarán, el tamaño uniforme de las partículas puede garantizar la planitud del polvo; la esfericidad, esto afecta directamente a la fluidez del polvo, cuanto mejor sea la esfericidad, mejor será la fluidez del polvo, más uniforme será la capa de polvo, y la densidad es más fácil de garantizar; y el contenido de oxígeno, Este es un indicador muy crítico, y un contenido de oxígeno demasiado alto puede conducir a inclusiones de óxido dentro de la impresión, afectando seriamente a las propiedades mecánicas del material, especialmente las propiedades de fatiga.

Manipulación y almacenamiento del polvo: El polvo debe manejarse con mucho cuidado. 18Ni300 Esta aleación es sensible a la oxidación, por lo que evitar la oxidación y la contaminación es una prioridad absoluta. Normalmente, realizamos el tamizado y la recuperación del polvo bajo protección de gas inerte, y también debe ser un contenedor sellado y seco cuando se almacena. Si el polvo se humedece o contamina, puede afectar a la calidad de la impresión, como mínimo, y, en el peor de los casos, hacer que se deseche el lote, lo que no merece la pena.

Optimización de los parámetros de impresión:

 Parámetros clave:

• Potencia del láser: demasiado pequeño para una fusión insuficiente, demasiado grande para una sobrecombustión.
• Velocidad de escaneado: afecta a la densidad de energía y al comportamiento del baño de fusión.
• Grosor de la capa: afecta directamente a la eficacia de la impresión y a la rugosidad de la superficie.
• Estrategias de exploración: como el barrido en "damero", que ayuda a dispersar la tensión residual.
• Temperatura de precalentamiento: En L-PBF, el aumento adecuado de la temperatura de precalentamiento de la plataforma puede ser muy útil para reducir la tensión residual.

Lo que descubrí es que ninguno de estos parámetros existe por sí solo, y que se influyen mutuamente para formar una red compleja. Tenemos que hacer muchos experimentos para encontrar el punto de equilibrio óptimo que nos permita obtener la mayor densidad, las mejores propiedades mecánicas y la menor tensión residual.

Post-procesamiento:

• Tratamiento térmico: El tratamiento térmico de envejecimiento es fundamental para conseguir su intensidad ultraelevada. El 18Ni300 impreso suele estar en una solución sólida y no es muy resistente. Necesitamos inducir la precipitación de compuestos intermetálicos a nanoescala en el interior del material mediante un control preciso de la temperatura y el tiempo de envejecimiento, aumentando así significativamente su dureza y resistencia. Suelo hacer un tratamiento en solución para eliminar las inhomogeneidades del tejido durante la impresión, seguido de un envejecimiento en varias etapas. El principio de esto es permitir que la microestructura del interior del material experimente un cambio de fase mediante tratamiento térmico, de modo que su dureza y resistencia puedan mejorar considerablemente.
• Acabado: La superficie de la impresión tiende a ser rugosa, y puede haber algunos defectos menores en el interior.
• Pulido y arenado: puede mejorar eficazmente la rugosidad de la superficie y es muy importante para las piezas que requieren un ajuste fino.
• Presión isostática térmica (HIP): Se trata de una herramienta muy potente, especialmente para piezas fabricadas mediante aditivos. Puede eliminar eficazmente los poros internos y las microfisuras a alta temperatura y presión, mejorando enormemente la densidad y el rendimiento a fatiga de las piezas.