Investigation of the Effects of Solution Rapid Treatment on Wear Properties of AlSi10Mg Alloy

Resumen Técnico: Investigación de los Efectos del Tratamiento de Solución Rápida en las Propiedades de Desgaste de la Aleación AlSi10Mg

Planteamiento del Problema
La fabricación aditiva (AM) de aleaciones de AlSi10Mg mediante la Fusión de Lecho de Polvo por Láser (L-PBF) produce componentes con alta resistencia al desgaste en su estado tal como se fabricó (as-built, AB) debido a su microestructura celular ultrafina y una red continua de silicio (Si). Sin embargo, estas piezas en estado AB suelen carecer de la suficiente resistencia a la tracción y ductilidad para aplicaciones críticas, lo que requiere tratamientos térmicos de post-procesado. El tratamiento térmico T6 convencional (solubilización a 540 °C durante 2 horas, temple en agua y envejecimiento artificial) mejora las propiedades mecánicas pero induce un engrosamiento microestructural significativo. Específicamente, la disolución de la fina red de Si y el subsiguiente crecimiento de las partículas de Si provocan el ablandamiento de la matriz y una reducción en la resistencia al desgaste en comparación con el estado AB. Además, los tratamientos térmicos tradicionales de larga duración consumen mucha energía y reducen la productividad, lo que entra en conflicto con los objetivos de sostenibilidad. Existe la necesidad de una ruta de post-procesado eficiente que mejore las propiedades mecánicas sin comprometer la resistencia al desgaste ni incurrir en costos energéticos excesivos.

Metodología
El estudio utilizó sistemas EOS M290 para producir piezas de AlSi10Mg mediante Sinterización Directa de Metal (DMLS) con parámetros específicos (potencia de láser de 270 W, velocidad de escaneo de 1300 mm/s, densidad de energía de 36.43 J/mm³). Los investigadores compararon cuatro condiciones distintas:

1. Tal como se fabricó (AB): Sin tratamiento térmico.
2. T6 Convencional: Solubilización a 540 °C durante 2 horas, temple en agua (WQ) y envejecimiento a 160 °C durante 12 horas.
3. T6 Rápido (RT6): Cuatro variaciones que involucran tiempos de solubilización significativamente acortados (5 o 10 minutos) a temperaturas de 510 °C o 540 °C, seguidos de WQ y el mismo ciclo de envejecimiento.

La caracterización incluyó microscopía óptica, Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Difracción de Rayos X (XRD) y análisis de porosidad. Las propiedades mecánicas se evaluaron mediante pruebas de dureza y ensayos de tracción. El rendimiento tribológico se evaluó mediante una prueba de desgaste de deslizamiento recíproco de bola sobre plano (bola de WC, carga de 2 N, distancia de deslizamiento de 25 m) bajo condiciones de deslizamiento en seco. Las huellas de desgaste se analizaron mediante perfilado 3D y SEM/EDS para determinar los mecanismos de desgaste.

Resultos Clave

• Evolución Microestructural: El estado AB exhibió un patrón de pozo de fusión con una red de eutéctico-Si continua. El tratamiento T6 convencional causó la ruptura de esta red, resultando en partículas de Si gruesas e aisladas (espaciamiento de hasta ~1.79 µm) y una matriz de α-Al ablandada. Los tratamientos de T6 rápido preservaron una distribución más homogénea de partículas de Si más finas y esferoidizadas. El espaciamiento entre partículas en la condición óptima de T6 rápido (RT6-3) fue significativamente menor (1.17 µm) en comparación con el T6 convencional.
• Dureza y Propiedades Mecánicas: La muestra AB poseía la dureza más alta (~120 HV) debido a su estructura celular fina. El T6 convencional resultó en una caída significativa de la dureza (ablandamiento). Los tratamientos de T6 rápido mitigaron este ablandamiento; notablemente, la condición RT6-3 (540 °C/5 min) retuvo una mayor dureza que la muestra de T6 convencional. Si bien los valores de resistencia a la tracción para el T6 rápido fueron generalmente menores que los de AB, fueron comparables o ligeramente mejores que los del T6 convencional, con mejoras significativas en la ductilidad (elongación).
• Desempeño de Desgaste:
  • T6 Convencional: Exhibió la peor resistencia al desgaste entre las muestras tratadas térmicamente, con una pérdida de volumen de desgaste aproximadamente un 50% mayor que el estado tal como se fabricó. Esto se atribuyó al engrosamiento de Si y al ablandamiento de la matriz.
  • T6 Rápido: La condición RT6-3 (540 °C por 5 minutos) logró la menor pérdida de volumen de desgaste (0.165 mm³), lo que representa una mejora de ~40% en el desempeño de desgaste sobre el T6 convencional y una mejora de ~30% sobre el estado tal como se fabricó.
  • RT6-2 (510 °C/10 min): Mostró la mayor pérdida de volumen de desgaste entre los tratamientos rápidos, casi el doble que la de RT6-3, lo que indica que las combinaciones específicas de tiempo-temperatura son críticas.
• Mecanismos de Desgaste: El desgaste fue impulsado principalmente por oxidación y abrasión. Las muestras AB, RT6-1 y RT6-3 mantuvieron tribofilm de óxido estables y continuos, resultando en un desgaste oxidativo leve y huellas suaves. En contraste, las muestras de T6 convencional y RT6-2 experimentaron películas de óxido inestables, lo que llevó a un desgaste adhesivo severo, delaminación y surcos profundos.

Contribuciones Clave
El artículo demuestra que el tratamiento de solución rápida (RT6) es una alternativa viable al T6 convencional para las aleaciones de AlSi10Mg fabricadas por AM. La principal contribución es la identificación de una ruta de T6 rápido óptima (540 °C por 5 minutos) que:

1. Mejora la Resistencia al Desgaste: Supera tanto a las condiciones de tal como se fabricó como al T6 convencional al mantener una microestructura refinada que soporta la formación de un tribofilm estable.
2. Preserva la Dureza: Evita el ablandamiento extensivo asociado con los tratamientos de solubilización de larga duración al limitar el crecimiento de las partículas de Si.
3. Mejora la Eficiencia: Ofrece una estrategia de post-procesado de tiempo y energía eficientes, reduciendo el tiempo de solubilización de 2 horas a 5 minutos.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona un avance industrial significativo para los componentes de AlSi10Mg de AM críticos para el desgaste y la carga. Al optimizar los parámetros de tratamiento térmico, es posible superar el compromiso entre el fortalecimiento mecánico (que a menudo requiere T6) y la resistencia al desgaste (que suele ser superior en el estado tal como se fabricó). La investigación valida que las rutas de T6 rápido pueden producir una microestructura tipo compuesto con partículas de Si esferoidizadas que equilibra resistencia, ductilidad y resistencia al desgaste. Los hallazgos sugieren que el procesamiento térmico rápido puede mitigar los efectos adversos de la expansión de poros de gas y el engrosamiento microestructural, ofreciendo una solución sostenible y rentable para aplicaciones de fabricación aditiva de alto rendimiento.