Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Efecto del tratamiento térmico superficial laser en las propiedades mecánicas de la aleación AlSi10Mg fabricada mediante LPBF
Autor
GARCÍA ZAPATA, JUAN MANUEL
Director
TORRES BARREIRO, BELÉN
Codirector
RAMS RAMOS, JOAQUÍN
Fecha de depósito
27-05-2025
Periodo de exposición pública
28 de mayo a 10 de junio de 2025
Fecha de defensa
Sin especificar
Modalidad
Presencial
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
No
Resumen
En general, las muestras producidas mediante LPBF alcanzan valores de resistencia a la tracción superiores a los de otros métodos de fabricación convencionales debido a la fina microestructura celular dendrítica característica del proceso LPBF [1]. Por otro lado, los valores de ductilidad no cumplen con las especificaciones y estándares de los diferentes sectores muy a menudo [2,3]. En este escenario, los parámetros del proceso, y las direcciones de construcción, han demostrado influir significativamente en las propiedades mecánicas de las muestras producidas mediante LPBF [4,5]. Sin embargo, la influencia de estos parámetros en las propiedades finales sigue siendo insuficiente para obtener piezas con las propiedades requeridas por la industria, por lo que se hacen necesarios los diferentes métodos de post-procesado. De los métodos introducidos hasta ahora para abordar los principales inconvenientes producidos por el proceso LPBF. El método de post-procesado más popular en la actualidad consiste en la aplicación de tratamientos térmicos, que pueden utilizarse para liberar tensiones residuales, reducir defectos internos, homogeneizar la microestructura, modificar el acabado superficial y endurecer o ablandar las piezas.
El efecto de los diferentes tratamientos térmicos, principalmente el tratamiento térmico T6 y el recocido a diferentes temperaturas han sido estudiados por muchos autores [6–9]. Como se ha introducido previamente, el tratamiento térmico T6 se utiliza comúnmente en aleaciones convencionales de Al-Si para endurecerlas mediante precipitación. Sin embargo, para piezas fabricadas mediante LPBF, varios estudios han reportado que la resistencia a la tracción y a la fatiga disminuyen significativamente. Aunque varios autores ya han estudiado el efecto de los tratamientos térmicos sobre las propiedades de tracción y fractura de la aleación AlSi10Mg fabricada por LPBF en las diferentes direcciones de construcción [10–12], pocos han estudiado el efecto de los diferentes tratamientos superficiales en sus propiedades. Estos tratamientos tienen como objetivo mejorar la calidad superficial de las piezas ya que las propiedades mecánicas como la fatiga, el desgaste y la resistencia a la corrosión se ven seriamente afectadas por una mala calidad superficial [13].
En la literatura actual se pueden encontrar diferentes trabajos sobre tratamientos superficiales con láser. Por ejemplo, J. Borowski y otros [14] demostraron la eficacia de un láser de CO2 para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste de dos aleaciones de aluminio diferentes: AlSi6Cu4 y EN-AW6082. X. Pan y otros [15] emplearon un láser de femtosegundo para tratar una aleación de aluminio fundido, produciendo un aumento de la dureza y del comportamiento frente al desgaste. M. Carvalho da Cunha y otros [16] redujeron el crecimiento de grietas por fatiga utilizando un láser de fibra en una aleación e aluminio AA2024-T3. T. M. Yue y otros [17] mejoraron la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión de una aleación de aluminio 7075-T651 sumergida en una solución de NaCl, mediante un láser de fluoruro de Kripton. T. Rautio y otros [18] investigaron el efecto de un tratamiento térmico asistido por láser de disco en piezas de AlSi10Mg fabricadas por LPBF, demostrando la eficacia de esta técnica en la mejora de la calidad superficial. N. Kumar [19] estudió el efecto del tratamiento de “Laser shock Penning” en piezas de AlSi10Mg fabricadas mediante deposición de energía directa consiguiendo incrementar la dureza superficial. Q. Han y Y. Jiao [20] recientemente estudiaron la capacidad de un tratamiento térmico superficial láser para refinar la microestructura de una pieza producida mediante LPBF consiguiendo también incrementar su dureza.
A diferencia de estos trabajos donde se buscó incrementar la dureza superficial por medio de la utilización de parámetros láser capaces de producir velocidades de enfriamiento superiores a las del proceso de fabricación, obteniendo una microestructura más fina en la zona tratada térmicamente con láser. En esta tesis, se busca el efecto contrario, como es conseguir incrementar local o globalmente la ductilidad de la aleación AlSi10Mg fabricada por LPBF con unas velocidades de escaneo inferiores a las del proceso LPBF.
Aunque en los métodos de fabricación convencionales, este incremento de ductilidad localizado generalmente se asocia con un deterioro de ciertas propiedades mecánicas, como la dureza superficial o la resistencia a fatiga, la altamente refinada microestructura del proceso de LPBF junto con sus altas tensiones residuales hacen que este método de fabricación no pueda compararse con los métodos convencionales. Al partir de una estructura tan tensionada es realmente complicado seguir endureciéndola y tampoco tendría sentido seguirlo haciendo a consta de seguir perdiendo ductilidad que en esta aleación no llega ni al 5% en la mayoría de los casos. Es por esto por lo que este tipo de tratamientos de ablandamiento y liberación de tensiones puede ser realmente efectivo en este tipo de fabricación al contrario que con otros métodos de procesado, como ya se ha visto con el tratamiento térmico T6 que ha sido el tratamiento térmico más efectivo para este tipo de aleaciones fabricadas por métodos convencionales y sin embargo es completamente ineficaz para las piezas producidas mediante LPBF.
Luego, el objetivo de este trabajo es analizar la capacidad de este tipo de tratamiento superficial láser para modificar localmente la microestructura, manteniendo al mismo tiempo la microestructura única del proceso LPBF, que proporciona una alta resistencia y dureza debido a las altas velocidades de enfriamiento. En este trabajo se estudia el efecto de este tratamiento en las propiedades mecánicas y microestructurales de aleación AlSi10Mg fabricada mediante SLM con diferentes parámetros de fabricación. Además, también se analiza el efecto del tratamiento superficial laser en las diferentes direcciones de fabricación y la interacción de este con las diferentes estrategias de escaneado de bordes del proceso de LPBF. Se muestra el esquema principal del trabajo llevado a cabo, además del análisis de este proceso también se han estudiado las propiedades de estructuras reticulares integradas y su idoneidad como estructuras aligeradas fabricables mediante SLM. Tanto el tratamiento laser como la respuesta mecánica de las estructuras reticulares han sido simulados mediante elementos finitos obteniendo resultados satisfactorios para ambos.
