Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Fabricación Aditiva de Materiales Compuestos con Matrices Metálicas de Ti6Al4V y 316L y Refuerzo Cerámico In-situ y Ex-situ
Autor
SÁNCHEZ DE ROJAS CANDELA, CARMEN
Director
RIQUELME AGUADO, AINHOA
Codirector
RODRIGO HERRERO, PILAR
Fecha de depósito
17-12-2024
Periodo de exposición pública
18 de diciembre a 16 de enero de 2025
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
No
Resumen
Los materiales compuestos de matriz metálica (Metal Matrix Composites, MMCs), y, en concreto, los que tienen una matriz de aleación de titanio Ti6Al4V o de acero inoxidable 316L están revolucionando la industria del transporte y biomédica. Son varias las aplicaciones que requieren materiales con propiedades mecánicas y tribológicas mejoradas de cara a comportarse mejor y alargar su vida útil, como son un mejor comportamiento a desgaste ligado a una mayor dureza. Factores como una distribución homogénea del refuerzo en toda la matriz metálica, y una intercara matriz-refuerzo de calidad, mejoran la resistencia del material cuando se encuentra sometido a esfuerzos elevados o varios ciclos de carga. Además, en el caso de aleaciones más ligeras como es el Ti6Al4V, la baja densidad con la que contribuyen a la formación de MMCs sin verse comprometidas sus propiedades mecánicas junto con su biocompatibilidad son dos de sus principales atractivos a la hora de ser empleados en la fabricación de componentes aeroespaciales o de implantes biomédicos. En el caso del acero 316L su densidad es mucho mayor, pero se emplea en numerosos sectores dada su excelente resistencia.
La tecnología de la fabricación aditiva (Additive Manufacturing, AM) de metales permite la creación de piezas 3D mediante la fusión de material capa a capa. Existen diferentes técnicas como son Laser-Directed Energy Deposition (L-DED) y Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), que son las más utilizadas. Ambas utilizan un haz láser como fuente de energía para fundir el polvo, con la diferencia de que en L-DED el polvo se proyecta a través de la boquilla utilizada para el láser, y en L-PBF se forma un lecho de polvo en la cama de impresión. La AM ofrece numerosas ventajas frente a la fabricación convencional, como son la reducción de costes, de material de desecho y de pasos de producción, y la posibilidad de fabricar geometrías de alta complejidad y personalizables. Sin embargo, la necesidad de mecanizado para un acabado final de calidad, la limitación en la variedad de materiales utilizables, la alta inversión inicial y la porosidad elevada presente en las piezas fabricadas son varios de sus inconvenientes, por los que existe una necesidad de profundizar en la optimización de esta técnica de fabricación. Las aleaciones de acero 316L y titanio Ti6Al4V son dos de los materiales más utilizados en la tecnología de fabricación aditiva dada su versatilidad y la posibilidad de obtener microestructuras con granos pequeños mediante una solidificación rápida que brinda propiedades excepcionales en piezas complejas sin necesidad de postprocesado. No obstante, existen ciertas propiedades, como su resistencia a desgaste, que necesitan ser optimizadas para que estos materiales se puedan emplear en ciertas aplicaciones. Una de las alternativas sería la fabricación de materiales compuestos reforzados con materiales cerámicos.
La creación de materiales compuestos mediante la tecnología de AM se puede lograr principalmente de dos formas: in-situ, mediante la utilización de una atmósfera reactiva que genere refuerzo por reacción directa con el material base; o ex-situ, premezclando los polvos de matriz y refuerzo previamente. Puesto que la fabricación in-situ permite introducir refuerzo en un solo paso obteniéndose materiales con una mejor estabilidad térmica, una buena intercara matriz-refuerzo, y, por lo tanto, unas propiedades mecánicas superiores, siendo esta la técnica más novedosa y en la que, dada la falta de publicaciones en la literatura, es necesario profundizar más en este proceso para lograr producir piezas con las máximas calidades reduciendo tiempos y costes. La tecnología de fabricación aditiva de forma in-situ posibilita, además, la producción de piezas de MMCs con una distribución del refuerzo en zonas concretas que requieran unas mayores prestaciones y en un solo paso, siendo este un proceso de fabricación revolucionario que podría permitir ahorro de material y de tiempo en la producción de geometrías muy específicas y complejas.
La presente tesis se centra en el estudio de la influencia que tienen los diferentes parámetros de fabricación en el proceso de L-DED, como son la potencia y la velocidad de pasada del haz láser (o velocidad de fabricación), en la microestructura y propiedades mecánicas y tribológicas de los materiales compuestos fabricados aditivamente. Además, se evalúa el efecto del tamaño y porcentaje de refuerzo cerámico en la microestructura y propiedades de los MMCs, fabricados tanto de forma in-situ como ex-situ.
Este trabajo propone analizar la fabricación aditiva mediante L-DED de materiales compuestos de, por un lado, (1) matriz metálica de acero 316L, con refuerzo de SiC introducido de forma ex-situ; y (2) matriz metálica de Ti6Al4V, con refuerzos de SiC introducido de forma ex-situ, y de TiN de forma in-situ. Los diferentes materiales fabricados se caracterizaron microestructural y mecánicamente, siendo la dureza y la resistencia a desgaste las principales propiedades mecánicas evaluadas y relacionadas con resultados como la microestructura, porosidad, la defectología, el porcentaje de refuerzo y las dimensiones finales. Todas las piezas fabricadas se compararon con piezas impresas con el material base sin reforzar, y demostraron ser más resistentes a desgaste y poseer propiedades mecánicas mejoradas. En todos los casos, se evaluó la calidad de la intercara matriz-refuerzo, puesto que suele ser uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan todos los MMCs fabricados, por ser un punto en el que se suelen generar tensiones internas o problemas de cohesión entre matriz y refuerzo que hacen que el material presente un comportamiento a desgaste limitado y que falle cuando se encuentra en servicio.
Por un lado, los materiales compuestos de matriz metálica de 316L con refuerzo ex-situ de SiC presentaron una dureza mayor a la del material base debida a la disolución de las partículas de refuerzo en la matriz formando fases más duras como carburos de cromo, siliciuros de hierro y grafito. Este efecto aumentó con el porcentaje de SiC, siendo la muestra con un 40% en peso la de mayor dureza (4.5 veces más que 316L sin reforzar) y resistente a desgaste, ya que a mayores porcentajes de refuerzo la matriz se saturaba y formaba precipitados de grafito más grandes. Los valores óptimos de fabricación se determinaron para velocidades de pasada y potencia del láser menores. Los mecanismos de desgaste variaron desde adhesivo para el material base a delaminación, abrasivo y oxidativo para los materiales compuestos con diferentes porcentajes de SiC.
Los materiales compuestos de 316L/20SiC fabricados con diferentes parámetros presentaron un mejor comportamiento a desgaste cuanto menor fue la velocidad de fabricación del láser para la misma potencia y, por lo tanto, mayor fue su dureza y Coeficiente de Fricción. La evolución en los mecanismos de desgaste se desarrolló de tal forma que se observaron mecanismos de tipo adhesivo/oxidativo cuando se utilizó una baja Energía Bruta Aportada (EBA) durante la fabricación, a, principalmente, abrasivo cuando la EBA fue alta.
Por otro lado, en los materiales compuestos de matriz de Ti6Al4V con refuerzo ex-situ de SiC, el efecto endurecedor de las partículas fue más notorio cuanto mayor era el tamaño y la cantidad de estas, mejorando su comportamiento a desgaste y aumentando su microdureza en un 100%. La reactividad entre la matriz y el SiC dio lugar a un anillo de productos de reacción alrededor de cada partícula formado por carburo de titanio. A mayor velocidad de pasada del láser durante la fabricación, se obtuvieron muestras con un menor grosor y una mayor micro y nanodureza debido a una reactividad decreciente dados los tiempos de reacción más cortos. El Coeficiente de Fricción para un mayor porcentaje y tamaño de SiCp aumentó a baja velocidad y disminuyó a alta velocidad, por lo que los parámetros de fabricación fueron clave en el comportamiento a desgaste de los materiales. Las tasas de desgaste de los materiales compuestos fueron menores que las de los materiales base, excepto aquellos fabricados a baja velocidad con partículas pequeñas y con un porcentaje del 20 wt.%, que se disolvieron prácticamente al completo y presentaron un comportamiento similar al del acero sin reforzar. Por lo tanto, los materiales de Ti/20SiC y Ti/30SiC con tamaño de partícula grande (F240) exhibieron el mismo comportamiento que los de 316L/20SiC, siendo más duros y resistentes a desgaste a menor velocidad de fabricación, al contrario que ocurrió en los materiales de Ti/20SiC con tamaño de partículas pequeño (F360). El mecanismo de desgaste se determinó de tipo abrasivo para todos los materiales y el de tipo oxidativo tuvo lugar principalmente en las muestras con mayor tamaño de partículas de SiC, detectándose partículas de óxido de hierro en las matrices de los materiales compuestos.
Los materiales compuestos de matriz de Ti6Al4V con refuerzo in-situ de TiN (fabricados con nitrógeno como gas portador) incrementaron su dureza entre un 50 y un 100% en comparación con los respectivos materiales base (fabricados con argón como gas portador), dependiendo de los parámetros de fabricación. La mayor dureza se obtuvo para velocidades de pasada y potencias menores con un valor de 1300 HV2. La cantidad de nitrógeno combinado con las partículas de titanio y su difusión influyeron en la formación de refuerzo de dendritas de nitruro de titanio in-situ. El material compuesto fabricado con 75 J/mm (baja potencia y velocidad de fabricación) fue el de mayor dureza, y a su vez el que peor comportamiento a desgaste tuvo, pues se fragilizó por efecto del debris generado. El material fabricado con una EBA 95 J/mm (alta potencia y velocidad de fabricación) fue el que presentó una menor tasa de desgaste. La formación de una tribocapa (MML) en la muestra fabricada con 190 J/mm hizo que el mecanismo cambiase de abrasivo a adhesivo/oxidativo y que disminuyese el Coeficiente de Fricción. De nuevo, el mecanismo de desgaste común a todas las muestras fue el de tipo abrasivo y los contracuerpos presentaron deformación plástica.
Por último, en el campo de las aplicaciones, se empleó el material de Ti6Al4V y el método de la nitruración espontánea mediante fabricación aditiva usando nitrógeno como gas portador para fabricar un prototipo de un vástago de prótesis de cadera funcionalizado, en el que el material cambiase realizando un gradiente de refuerzo de TiN en la parte superior, la cual suele ser susceptible a deterioro por desgaste. Se utilizó la técnica de L-PBF para poder fabricar la morfología de la pieza del vástago y se sustituyó la mitad del gas argón por nitrógeno en la fabricación de las últimas capas de la pieza para obtener Ti6Al4V/TiN in-situ. La microdureza de la pieza se fue incrementando gradualmente, desde ~450 HV0.1 en la parte no reforzada, hasta ~900 HV0.1 en la parte reforzada con TiN, es decir, un aumento de casi un 100%.
