Caracterización microestructural y mecánica de componentes de acero AISI 316L conformados mediante la técnica de deposición dirigida de energía por láser y estudio de la viabilidad de la técnica LSP para la mejora de sus propiedades

Resumen

Las técnicas de fabricación aditiva (FA) están en auge. Permiten fabricar de forma rápida y casi sin conocimientos técnicos cualquier cosa. Prueba de ello son los numerosos institutos y particulares que cuentan con algún dispositivo de impresión 3D entre sus posesiones. También se ha convertido en una técnica de prototipado rápido, y de amplio uso en la industria automovilística y aeroespacial [1]. La materia prima utilizada puede ser polimérica, cerámica o metálica, siendo esta última la más consumida [2].

Son numerosas empresas las que han comenzado a destacar en el sector de la FA de metal, entre la que destaca nacionalmente Etxetar. La tecnología concreta que esconden sus instalaciones es la deposición de energía dirigida (Directed Energy Deposition, DED), que consiste en la deposición capa a capa de polvo de metal, en concreto de AISI 316L, y la fusión mediante haz láser, que permite la unión entre capas. Este proceso, por sus numerosos ciclos térmicos, produce en las estructura de las piezas discontinuidades, además de tensiones residuales que hacen que las propiedades mecánicas se vean reducidas respecto al material fabricado por laminación. En su interés por mejorar el método de fabricación y las propiedades de sus piezas, Etxetar comenzó a colaborar con el Centro Láser UPM (CLUPM) en 2019 [3].

Fruto de estas colaboraciones, donde Etxetar se encarga de la fabricación y el CLUPM del estudio, se han desarrollado diferentes trabajos [4] [5] [6] que permitieron dar los primeros pasos en la caracterización de propiedades mecánicas del acero 316L fabricado por DED en dirección transversal, y la mejora de estas con el tratamiento Laser Shock Peening (LSP). El tratamiento LSP tiene la particularidad de inducir campos de tensiones residuales de compresión mediante ondas de choque generadas por láser, mitigando el efecto de los defectos comentados y aumentando la vida en servicio del material.

El objetivo de este trabajo es caracterizar microestructural y mecánicamente el acero AISI 316L fabricado por DED en dirección longitudinal, ya que debido a la anisotropía asociada a la FA por la construcción capa a capa, las propiedades pueden verse alteradas en función de la dirección de corte. Para ello, se hizo uso de 10 probetas longitudinales de fatiga fabricadas en las instalaciones de Etxetar y una transversal de tracción. Mientras que las probetas longitudinales se usaron para los ensayos de fatiga, tensiones residuales, corrosión y dureza, siguiendo las normas ASTM E466, ASTM E837-08, ASTM G15 y ASTM 384-17 respectivamente, la probeta transversal se utilizó para la caracterización metalográfica, ya que esta dirección permite ver las capas.

El estudio microestructural de la probeta se realizó en primer lugar mediante la preparación metalográfica y análisis de secciones transversales con microscopio óptico, permitiendo hacer un estudio profundo sobre la naturaleza microestructural del material, tipo de grano y espesor de cada capa. Posteriormente, para aclarar su propia composición y la de las heterogeneidades encontradas a lo largo de la estructura, se empleó el SEM/EDX del Museo de Ciencias Naturales.

En cuanto a la caracterización mecánica, seis de las diez probetas disponibles fueron ensayadas a fatiga a distintas amplitudes de carga. Una vez finalizados estos ensayos y con los datos obtenidos se estudió si, al igual que ocurría en el resto de los casos, las propiedades del material mejoraban tras un tratamiento LSP. De esta manera, se trataron con LSP a 1600 pulsos/cm² las cuatro probetas restantes, y se realizaron los mismos ensayos (fatiga, tensiones, corrosión y dureza).

Los resultados obtenidos demuestran la efectividad del tratamiento LSP, obteniendo un comportamiento ligeramente superior a fatiga frente a las probetas no tratadas. Esto supone un aliciente para seguir investigando acerca de la técnica LSP como técnica de posprocesado para técnicas de FA. También sorprende su resistencia a la corrosión, mejor que la presente en el acero laminado comercial. Este hecho permite concluir que la aplicación del tratamiento LSP prolonga la vida en servicio frente a atmósferas corrosivas de los materiales estudiados. Como se ha dejado ver, el acero laminado posee un comportamiento frente a cargas superior en comparación con cualquiera de los aceros fabricados por DED. Respecto a la intensidad del tratamiento, esta se considera suficiente, ya que otorga al material de tensiones residuales de compresión estables hasta los 0.5mm de profundidad.

Respecto a la microestructura, se ha encontrado una gran dependencia de los granos formados con la velocidad de enfriamiento. Esto se ve reflejado en que las capas más cercanas al sustrato presentan estructuras dendríticas celulares, por tener una mayor velocidad de enfriamiento, frente a la estructura dendrítica columnar que comienza a verse a capas más altas, donde el gradiente térmico es menos severo. Aparte de la morfología, las fases presentes en la probeta también se ven afectadas. Una velocidad de enfriamiento más estable posibilita la transformación en estado sólido mediante mecanismos de difusión de la Feδ que pudiera haber quedado retenida, como consecuencia de un enfriamiento rápido primario, a Feγ’, incrementando el porcentaje total de austenita a medida que aumenta la altura. En cuanto a la porosidad, se mantiene estable entorno al 1% a lo largo de la probeta, producida en gran media por la brusquedad térmica del proceso y el mecanismo de difusión ya comentado.

Por último, indicar que este trabajo ha supuesto un gran avance en la caracterización microestructural para materiales sometidos a procesos con gradientes térmicos severos y alto aporte másico como es la DED. El análisis de la morfología y la cohesión entre capas ha ayudado a comprender mejor los resultados obtenidos tras los ensayos mecánicos.