El equipo utiliza la impresión 3D para fortalecer un material clave en la industria aeroespacial, la energía

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Los materiales clave para muchas aplicaciones importantes en la generación aeroespacial y de energía deben ser capaces de soportar condiciones extremas como altas temperaturas y esfuerzos de tracción sin fallar. Ahora, un equipo de ingenieros dirigidos por el MIT informa sobre una forma simple y económica de fortalecer uno de los materiales clave que se utilizan hoy en día en tales aplicaciones.

Además, el equipo cree que su enfoque general, que implica la impresión 3D de un polvo metálico reforzado con nanocables cerámicos, podría utilizarse para mejorar muchos otros materiales. "Siempre hay una necesidad significativa de desarrollar materiales más capaces para entornos extremos. Creemos que este método tiene un gran potencial para otros materiales en el futuro", dice Ju Li, profesor de ingeniería nuclear de Battelle Energy Alliance y profesor en Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT.

Li, quien también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL), es uno de los tres autores correspondientes de un artículo sobre el trabajo que apareció en la edición del 5 de abril de Additive Manufacturing. Los otros autores correspondientes son el profesor Wen Chen de la Universidad de Massachusetts en Amherst y el profesor A. John Hart del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Los coautores del artículo son Emre Tekoğlu, un postdoctorado del MIT en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE); Alexander D. O'Brien, estudiante de posgrado de NSE; y Jian Liu de UMass Amherst. Otros autores son Baoming Wang, un postdoctorado del MIT en DMSE; Sina Kavak de la Universidad Técnica de Estambul; Yong Zhang, especialista en investigación de MRL; Así que Yeon Kim, estudiante de posgrado de DMSE; Shitong Wang, estudiante de posgrado de NSE; y Duygu Agaogullari de la Universidad Técnica de Estambul.

Hacia un mejor desempeño

El enfoque del equipo comienza con Inconel 718, una popular "superaleación" o metal capaz de soportar condiciones extremas como temperaturas de 700 grados Celsius (alrededor de 1300 grados Fahrenheit). Muelen polvos comerciales de Inconel 718 con una pequeña cantidad de nanocables cerámicos, lo que da como resultado "la decoración homogénea de nanocerámicas en las superficies de las partículas de Inconel", escribe el equipo.

El polvo resultante se utiliza luego para crear piezas a través de la fusión de lecho de polvo láser, una forma de impresión 3D. Ese proceso implica imprimir capas delgadas de polvo que se exponen a un láser que se mueve a través del polvo, derritiéndolo en un patrón específico. Luego, se extiende otra capa de polvo encima y el proceso se repite con el láser moviéndose para derretir el patrón de la nueva capa y unirlo con la capa de abajo. El proceso general puede producir piezas 3D complicadas.

Los investigadores descubrieron que las piezas fabricadas de esta manera con su nuevo polvo tienen una porosidad significativamente menor y menos grietas que las piezas fabricadas solo con Inconel 718. Y eso, a su vez, conduce a piezas significativamente más fuertes que también tienen otras ventajas. Por ejemplo, son más dúctiles, o estirables, y tienen una resistencia mucho mejor a la radiación y la carga a alta temperatura.

Además, el proceso en sí no es costoso porque "funciona con las máquinas de impresión 3D existentes. Simplemente use nuestro polvo y obtendrá un rendimiento mucho mejor", dice Li.

Xu Song, profesor asistente de la Universidad China de Hong Kong que no participó en el trabajo, comenta: "En este artículo, los autores proponen un nuevo método para imprimir compuestos de matriz metálica de Inconel 718 reforzados con nanocables [de cerámica]. la disolución in situ de la cerámica inducida por el proceso de fusión por láser mejoró la resistencia térmica y la resistencia de Inconel 718. Además, los refuerzos in situ redujeron el tamaño del grano y eliminaron los defectos. incluida la modificación para cobre de alta reflectividad y la supresión de fracturas para superaleaciones, pueden beneficiarse claramente de esta técnica".

Un gran espacio nuevo

Li dice que el trabajo "podría abrir un gran espacio nuevo para el diseño de aleaciones" porque la velocidad de enfriamiento de las capas ultrafinas de aleaciones metálicas impresas en 3D es mucho más rápida que la velocidad de las piezas a granel creadas mediante procesos convencionales de solidificación por fusión. Como resultado, "muchas de las reglas sobre la composición química que se aplican a la fundición a granel no parecen aplicarse a este tipo de impresión 3D. Así que tenemos un espacio de composición mucho más grande para explorar para el metal base con adiciones cerámicas".

Emre Tekoğlu, uno de los autores principales del artículo sobre fabricación aditiva, dice: "Esta composición fue una de las primeras que decidimos, por lo que fue muy emocionante obtener estos resultados en la vida real. Todavía hay un amplio espacio de exploración. Seguiremos explorando nuevas formulaciones de compuestos de Inconel para terminar con materiales que puedan soportar entornos más extremos".

Alexander O'Brien, otro autor principal, dice: "La precisión y escalabilidad que conlleva la impresión 3D ha abierto un mundo de nuevas posibilidades para el diseño de materiales. Nuestros resultados aquí son un primer paso emocionante en un proceso que seguramente tendrá un gran impacto en el diseño para la generación nuclear, aeroespacial y de toda la energía en el futuro".

Este trabajo fue apoyado por Eni SpA a través de MIT Energy Initiative, National Science Foundation y ARPA-E.

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