Optimization of process variables for laser powder bed fusion of creep-resistant P92-type steel

Resumen Técnico: Optimización de las Variables de Proceso para la Fusión de Lecho de Polvo por Láser de Acero de Tipo P92 Resistente a la Fluencia

Planteamiento del Problema
Los aceros de tipo P92 son una clase crítica de aceros martensíticos utilizados en la industria de la generación de energía debido a su excelente resistencia a la fluencia (creep) y resistencia a la oxidación en parámetros de vapor extremos (hasta 600 °C y 25 MPa). Si bien estas propiedades mejoran significativamente la eficiencia energética de las plantas y reducen las emisiones de carbono, la fabricación de componentes complejos (por ejemplo, álabes de turbina, componentes internos de reactores) a partir de acero P92 mediante técnicas avanzadas de fabricación aditiva sigue siendo poco explorada. Específicamente, existe una falta de datos exhaustivos con respecto a la ventana de procesamiento óptima para la Fusión de Lecho de Polvo por Láser (L-PBF) de aceros de tipo P92. El desafío principal abordado en este estudio es determinar las variables de proceso específicas de L-PBF necesarias para producir piezas con una densidad cercana al 100% y una microestructura adecuada, llenando un vacío en la literatura científica actual.

Metodología
El estudio utilizó un polvo de acero de tipo P92 desarrollado a medida, producido mediante atomización con argón, con un diámetro de partícula mediana de aproximadamente 45 µm. Los experimentos se llevaron a cabo en una máquina ProX DMD 200 con un diámetro de haz láser de ~80 µm.

Para identificar las condiciones óptimas, los investigadores variaron sistemáticamente cuatro parámetros clave del proceso a través de 75 regímenes diferentes (63 construcciones exitosas):

• Potencia del Láser: 100–300 W
• Velocidad de Escaneo del Láser: 0.5–2.5 m/s
• Distancia de Hatch (Espaciado entre líneas): 50 µm (aprox. 50% de solapamiento) y 80 µm (aprox. el diámetro del haz)
• Gas de Blindaje: Argón y Nitrógeno

Se calculó la densidad de energía volumétrica (VED) para cada régimen. Las muestras resultantes (20×10×5 mm³) fueron caracterizadas mediante:

1. Método de Arquímedes: Para medir la densidad relativa.
2. Metalografía Óptica: Para analizar la porosidad residual y la morfología de las discontinuidades en secciones transversales pulidas.
3. Microscopía Electrónica (BSE y EBSD): Para examinar las características microestructurales, la orientación de los granos y los tipos de defectos.

Resultos Clave

• Ventana de Procesamiento Óptima: El estudio identificó un conjunto específico de parámetros que produjeron muestras con una porosidad residual inferior al 0.1%. Las condiciones óptimas determinadas fueron:
  • Potencia del Láser: 250 W
  • Velocidad de Escaneo: 1 m/s
  • Espaciado de Hatch: 80 µm
  • Gas de Blindado: Nitrógeno
  • Densidad de Energía Volumétrica Resultante: ~106.8 J/mm³
• Impacto de la Potencia del Láser: Se encontró que una potencia de láser de 100 W era insuficiente para fundir el polvo, independientemente de la densidad de energía volumétrica calculada. Los regímenes que utilizaron 100 W resultaron en la sinterización del polvo en lugar de su fusión, lo que provocó una alta porosidad y una dispersión experimental significativa.
• Influencia de la Distancia de Hatch: El aumento de la distancia de hatch de 50 µm a 80 µm redujo significamente la porosidad. El espaciado de 50 µm causó un sobrecalentamiento local en las trayectorias de los láseres superpuestos, promoviendo la formación de defectos.
• Efecto del Gas de Blindaje: La elección entre el blindaje de argón y el de nitrógeno tuvo solo una influencia menor en la porosidad. El blindaje de nitrógeno fue ligeramente preferido, pero la diferencia en la densidad relativa fue sutil.
• Morfología de Defectos:
  • En densidades de energía bajas (<70 J/mm³), los defectos fueron principalmente de tipo "falta de fusión" (lack-of-fusion), conservando la morfología de las partículas de polvo sin fundir.
  • En densidades de energía extremadamente altas (~200 J/mm³), la porosidad aumentó nuevamente debido al salpicado del material fundido.
  • También se observó porosidad gaseosa heredada del polvo de alimentación.
• Microestructura: El material tal como fue construido exhibió una estructura de "escama de pez" característica de los charcos de fusión localizados, con dendritas columnares alineadas con la dirección de construcción. La microestructura estuvo dominada por $\delta$-ferrita metaestable, un resultado de las tasas de enfriamiento extremadamente altas inherentes a la L-PBF.
• Precisión de Medición: El estudio encontró que el método de Arquímedes subestimaba significativamente la porosidad cuando los niveles de defectos superaban el 1%. La metalografía óptica se consideró necesaria para una cuantificación precisa de la porosidad.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma llenar un vacío crítico en la literatura al proporcionar un examen exhaustivo de la ventana de procesamiento óptima para la L-PBF de aceros de tipo P92. La contribución principal es la demostración de que la L-PBF es adecuada para fabricar componentes de P92 con una porosidad residual inferior al 0.1%, siempre que las variables de proceso se controlen estrictamente.

Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta con respecto a la aplicabilidad inmediata de los resultados. Declaran explícitamente que la microestructura tal como fue construida, dominada por $\delta$-ferrita, no es adecuada para su uso directo en entornos extremos de plantas de energía. En consecuencia, el estudio concluye que un tratamiento térmico apropiado es un paso subsecuente necesario para lograr la microestructura de martensita templada requerida, un tema señalado como fuera del alcance del presente trabajo. La investigación establece la viabilidad del proceso de impresión en sí, pero no pretende haber resuelto los requisitos de post-procesamiento para el despliegue final del componente.