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Effect of ultrasonic impact treatment on microstructure and properties of Ti6Al4V titanium alloy manufactured by laser directed energy deposition

Este estudio demuestra que la aplicación de tratamiento de impacto ultrasónico a recubrimientos de Ti6Al4V depositados mediante deposición de energía dirigida por láser refina la microestructura y la calidad superficial sin alterar la composición de fase, mejorando significamente la resistencia al desgaste y a la corrosión mediante el fortalecimiento por límite de grano y deformación plástica.

Autores originales: Jiaqi Li, Xiaofeng Wan, Jinchao Zhang, Boyong Su, Yongfei Yang

Publicado 2026-07-24

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CC BY 4.0

Autores originales: Jiaqi Li, Xiaofeng Wan, Jinchao Zhang, Boyong Su, Yongfei Yang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un mundo donde podemos construir complejas piezas metálicas capa por capa, como una impresora 3D para maquinaria pesada utilizada en aviones y cohetes. Esta tecnología, llamada Deposición de Energía Dirigida por Láser (LDED, por sus siglas en inglés), es un cambio de juego para reparar piezas costosas y rotas sin tener que fundirlas. Sin embargo, al igual que un pastel que sube perfectamente pero tiene una parte superior irregular y rugosa, estas piezas metálicas impresas en 3D a menudo resultan con superficies rugosas e imperfecciones internas. Pueden tener bordes dentados o líneas de tensión ocultas que las hacen propensas al desgaste o a la oxidación cuando se ponen a trabajar. Para solucionar esto, los científicos utilizan un proceso llamado "fortalecimiento superficial", que es como darle al metal un masaje de alta tecnología para suavizarlo y hacerlo más resistente. Un tipo específico de masaje utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para golpear la superficie, algo parecido a un martillo diminuto y muy rápido que golpea el metal millones de veces para reorganizar su estructura interna. El gran interrogante es: ¿con qué fuerza debemos golpear? Si golpeamos demasiado suave, no cambia nada; si golpeamos demasiado fuerte, podríamos dañar la superficie. Encontrar el "toque" perfecto es crucial para que estas piezas duren más y funcionen mejor.

Este artículo profundiza precisamente en ese problema, centrándose en una aleación metálica súper resistente llamada Ti6Al4V, que es una favorita en la industria aeroespacial. Los investigadores construyeron capas de esta aleación utilizando el método de impresión 3D por láser y luego las trataron con Tratamiento de Impacto Ultrasónico (UIT) a diferentes niveles de potencia. Piensen en la potencia del UIT como el control de volumen de un altavoz, pero en lugar de sonido, controla la fuerza de los golpes del martillo diminuto. Probaron cinco diferentes "volúmenes": 0 W (sin golpeteo), 400 W, 600 W, 800 W y 1000 W. Su objetivo era ver cómo estas diferentes intensidades de golpeteo cambiaban la apariencia del metal, su estructura de grano interna y su capacidad para resistir el rayado (desgaste) y la oxidación (corrosión).

Los resultados fueron muy claros, casi como una receta para el acabado metálico perfecto. Primero, el golpeteo no cambió la composición química del metal; seguía siendo la misma aleación. Sin embargo, hizo un trabajo fantástico suavizando las cosas. El metal sin tratar tenía una superficie ondulada y rugosa con pequeñas rebabas sobresaliendo. A medida que la potencia del golpeteo aumentaba, estos bultos se aplanaban, haciendo la superficie mucho más lisa. Curiosamente, descubrieron que subir la potencia a 1000 W era el punto ideal. Si subían más (aunque no probaron niveles superiores en este estudio), sospechaban que podría empezar a dañar la superficie de nuevo, pero con 1000 W, la superficie era la más lisa y uniforme.

Dentro del metal, la historia es aún más emocionante. El proceso de impresión por láser suele dejar el metal con granos largos, de tipo columnares, que crecen en una sola dirección, algo así como una pila de lápices altos y delgados. Estos granos largos pueden hacer que el metal sea débil en ciertas direcciones. El golpeteo ultrasónico actuó como un gran refinador de grano, rompiendo esas largas columnas en granos diminutos y finos. Cuanto mayor era la potencia, más pequeños y uniformes se volvían esos granos. A 1000 W, los granos eran los más finos, creando una estructura densa y estrechamente empaquetada. Esto es importante porque los granos más pequeños hacen que el metal sea más duro y fuerte, de forma similar a como un muro de ladrillos con ladrillos diminutos y estrechamente ajustados es más fuerte que uno con piedras grandes y sueltas.

Cuando probaron qué tan bien resistía el metal el desgaste, la muestra de 1000 W fue la campeona. El metal sin tratar tenía un coeficiente de fricción de aproximadamente 0.2216 y se desgastaba rápidamente. ¿Pero la muestra tratada con 1000 W? Su fricción cayó a 0.1917, y perdió la menor cantidad de peso (aproximadamente 0.3 mg) durante la prueba. Las marcas de desgaste en la muestra de 1000 W eran poco profundas y suaves, de solo unos 4.7 μm de profundidad, en comparación con los surcos profundos y rugosos (24.5 μm) de la muestra sin tratar. Era como si el golpeteo le hubiera dado al metal un superescudo, haciendo que fuera mucho más difícil que otras superficies lo rayaran o lo desgastaran.

El metal también recibió un impulso en su capacidad para luchar contra el óxido. En una prueba de agua salada, el metal sin tratar tenía un potencial de corrosión de -0.663 V, que es una medida de qué tan ansioso está por oxidarse. La muestra tratada con 1000 W desplazó esto a -0.530 V, lo que significa que era mucho más estable y menos propenso a la corrosión. Los investigadores descubrieron que el golpeteo ayudó a formar una película protectora mejor y más uniforme en la superficie, bloqueando la entrada del agua salada. La resistencia eléctrica de esta película fue la más alta para la muestra de 1000 W, confirmando que era la mejor para mantener el óxido alejado.

En resumen, el artículo concluye que, si bien la impresión por láser crea una excelente base, añadir un tratamiento de impacto ultrasónico de 1000 W es el ingrediente secreto para hacerla aún mejor. Suaviza la superficie, tritura los granos internos en una estructura fina y fuerte, y crea un escudo resistente tanto contra el desgaste como contra la corrosión. Los investigadores sugieren que este nivel de potencia específico es la configuración óptima para mejorar estos recubrimientos metálicos, ofreciendo una forma prometedora de hacer que las piezas aeroespaciales de alto valor duren más y funcionen mejor.

Resumen Técnico: Efecto del Tratamiento de Impacto Ultrasónico en la Microestructura y las Propiedades de Ti6Al4V Fabricado mediante Deposición de Energía Dirigida por Láser

Planteamiento del Problema
La Deposición de Energía Dirigida por Láser (LDED) ofrece una solución innovadora para la reparación y remanufactura de componentes de alto valor de Ti6Al4V, tales como piezas estructurales aeroespaciales. Sin embargo, las piezas producidas mediante LDED sufren limitaciones inherentes, incluyendo la retención de granos columnares gruesos, desequilibrios en las propiedades mecánicas y la generación de altas tensiones residuales de tracción debido a la solidificación fuera del equilibrio. Estos factores, combinados con irregularidades superficiales como ondulaciones y rebabas, comprometen el rendimiento de fatiga y hacen que los componentes sean propensos al desgaste y a la iniciación de grietas bajo condiciones de servicio extremas. Si bien la optimización de los parámetros del proceso LDED es un enfoque común, a menudo no logra resolver plenamente estos problemas de calidad microestructural y superficial. En consecuencia, existe la necesidad de técnicas de fortalecimiento superficial de post-procesamiento efectivas para refinar los granos, mejorar la integridad superficial y potenciar el rendimiento tribológico y de corrosión.

Metodología
Este estudio investigó la eficacia del Tratamiento de Impacto Ultrasónico (UIT) como un método de post-procesamiento para recubrimientos de Ti6Al4V fabricados mediante LDED.

Preparación de la Muestra: Se depositaron recubrimientos de Ti6Al4V sobre sustratos de Ti6Al4V utilizando un sistema LDED con una fuente láser de 6 kW.
Protocolo de Tratamiento: Los recubrimientos tal como fueron depositados se sometieron a UIT utilizando un sistema HY25-50G. El estudio varió la potencia de impacto ultrasónico a través de cinco niveles: 0 W (control no tratado, U0), 400 W (U4), 600 W (U6), 800 W (U8) y 1000 W (U10). La sonda de UIT se desplazó a lo largo de una trayectoria en forma de "Z" perpendicular a la dirección del revestimiento.
Caracterización: Se realizaron análisis exhaustivos para evaluar:
- Calidad Superficial: Topografía superficial 3D y mediciones de rugosidad mediante microscopía confocal.
- Microestructura y Fase: Difracción de rayos X (XRD) para la identificación de fases y el análisis de tensiones residuales; Microscopía Óptica (OM) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para la observación del tamaño y la morfología de los granos.
- Resistencia al Desgaste: Pruebas de fricción y desgaste utilizando un probador multifuncional (carga de 20 N, frecuencia de 2 Hz, duración de 30 min), seguidas del análisis del volumen y la morfología de la huella de desgaste.
- Resistencia a la Corrosión: Pruebas electroquímicas en una solución de NaCl al 3.5 % en peso, incluyendo Potencial de Circuito Abierto (OCP), Polarización Potenciodinámica y Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS).

Contribuciones Clave y Resultados
La investigación elucidó sistemáticamente la relación entre la potencia de UIT y las propiedades estructurales y funcionales resultantes de los recubrimientos de Ti6Al4V.

Morfología Superficial y Rugosidad: El UIT mejoró significativamente la calidad superficial al reducir las ondulaciones y las rebabas. La rugosidad superficial disminuyó con el aumento de la potencia hasta los 800 W (una reducción del 36.4 % en comparación con U0). Sin embargo, a 1000 W, la eficiencia de reducción disminuyó ligeramente (33.4 %), lo que sugiere que un exceso de potencia puede inducir daños superficiales menores. A pesar de esto, las ondulaciones superficiales introducidas por el UIT fueron insignificantes en comparación con las técnicas convencionales, preservando la precisión dimensional.
Evolución Microestructural:
- Composición de Fases: El análisis de XRD confirmó que el UIT no alteró la composición de fase; los recubrimientos permanecieron dominados por fases de $\alpha$ / $\alpha'$ martensíticas de estructura hexagonal compacta (hcp).
- Refinamiento de Grano: Se observó un efecto significativo de refinamiento de grano. Los granos columnares $\beta$ gruesos de la muestra sin tratar se fragmentaron en granos más finos. A medida que la potencia de UIT aumentaba, el ancho de los granos columnares disminuía y los límites de grano se volvían difusos debido a la recristalización dinámica y la deformación plástica.
- Textura y Tensión: Los desplazamientos de los picos de XRD hacia ángulos mayores indicaron la introducción de tensiones residuales de compresión. La intensidad del pico de difracción (110) disminuyó mientras que el pico (101) se intensificó, lo que significa la interrupción de la fuerte textura de solidificación preexistente.
Resistencia al Desgaste: El UIT aumentó notablemente la resistencia al desgaste.
- Fricción: El coeficiente de fricción cayó de 0.2216 (U0) a 0.1917 (U10).
- Tasa de Desgaste: La tasa de desgaste disminuyó de 1.44 mm³/(N·m) para la muestra sin tratar a 0.847 mm³/(N·m) para la muestra tratada con 1000 W.
- Mecanismo: La mejora se atribuye al endurecimiento por límite de grano de los granos refinados y a la formación de una capa de endurecimiento por deformación plástica densa en la superficie. La profundidad de la huella de desgaste se redujo de ~24.5 $\mu$ m (U0) a ~4.7 $\mu$ m (U10).
Resistencia a la Corrosión: El rendimiento de la corrosión mejoró sincrónicamente con la potencia de UIT.
- Polarización Potenciodinámica: El potencial de corrosión ( $E_{corr}$ ) se desplazó positivamente de -0.663 V (U0) a -0.530 V (U10) vs. SCE, mientras que la densidad de corriente de corrosión ( $I_{corr}$ ) disminuyó aproximadamente un orden de magnitud.
- EIS: Los diagramos de Nyquist mostraron un aumento en el radio de reactancia capacitiva con mayor potencia, indicando una resistencia a la corrosión superior. Los diagramas de Bode revelaron un módulo de impedancia y ángulos de fase más altos para la muestra U10, lo que sugiere la formación de una película pasiva más estable y uniforme con menos defectos.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona una referencia valiosa para regular las propiedades de los recubrimientos de Ti6Al4V mediante la aplicación híbrida de LDED y UIT. El trabajo demuestra que el UIT es una estrategia de post-procesamiento efectiva que:

Refina la Microestructura: Transforma los granos columnares gruesos en granos finos mediante recristalización dinámica sin cambiar la composición de fase fundamental.
Mejora la Integridad Superficial: Reduce eficazmente la ondulación superficial y las rebabas, mejorando la precisión dimensional y el acabado superficial.
Mejora el Rendimiento de Forma Sinérgica: Aumenta simultáneamente la resistencia al desgaste (mediante el endurecimiento por límite de grano y la densificación superficial) y la resistencia a la corrosión (mediante la formación de una película pasiva estable).

El estudio identifica los 1000 W como el parámetro de potencia de UIT óptimo para maximizar estos beneficios, ofreciendo una vía para extender la vida útil de los componentes de Ti6Al4V fabricados mediante adición en aplicaciones aeroespaciales e industriales exigentes. Los autores señalan que, si bien se ha establecido la correlación entre los parámetros del proceso y la estructura-rendimiento, se requiere mayor verificación para una aplicación industrial amplia.

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