Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

Imagina un mundo en el que podemos construir objetos metálicos gigantes y complejos no recortándolos de un gran bloque o vertiendo metal fundido en un molde, sino "imprimiéndolos" capa por capa, como una impresora 3D para maquinaria pesada. Este es el reino de la Fabricación Aditiva. Mientras que algunas impresoras 3D utilizan láseres para fundir diminutos polvos metálicos, otras utilizan una antorcha de soldadura robótica gigante para fundir un alambre mientras lo deposita. Este método específico se llama Deposición de Energía Dirigida por Arco de Alambre (WA-DED, por sus siglas en inglés). Piensa en esto como una pistola de pegamento caliente muy precisa y superrápida, pero en lugar de pegamento, está escupiendo acero fundido.

El material en cuestión es un tipo especial de acero llamado "acero maraging". El nombre suena como una mezcla de "mar" (por la martensita, una estructura cristalina superresistente) y "age" (porque se vuelve aún más fuerte cuando se calienta y se deja reposar, un proceso llamado envejecimiento). Es el tipo de metal que se utiliza para piezas de cohetes y herramientas de alto rendimiento porque es increíblemente duro y resistente. Sin embargo, imprimir este tipo específico de acero con una antorcha de soldadura es complicado. Si la "pistola de pegamento" tambalea o el calor es incorrecto, el metal puede terminar débil o lleno de agujeros. Los científicos han estado tratando de descubrir la receta perfecta de velocidad, calor y velocidad del alambre para que este proceso funcione de manera fiable. Este es el rompecabezas que los investigadores se propusieron resolver.

El Gran Rompecabezas de la Impresión de Metal

En este estudio, un equipo de investigadores de Portugal decidió tratar el proceso de impresión de metal como un gran experimento científico. Querían encontrar los ajustes "Goldilocks" (el punto ideal) para imprimir acero maraging 18Ni-350 utilizando una antorcha de soldadura alimentada por alambre. Su objetivo no era solo hacer un bloque de metal; querían hacer un bloque que fuera fuerte, resistente y libre de defectos, y luego ver qué pasaba cuando le daban un tratamiento térmico especial.

Encontrando la Receta Perfecta
El equipo comenzó jugando con tres controles principales en su máquina: la velocidad a la que se movía la antorcha (Velocidad de Desplazamiento), la velocidad a la que se alimentaba el alambre en la llama (Velocidad de Alimentación del Alambre) y cuánta potencia eléctrica se utilizaba (Voltaje). Utilizaron un método estadístico ingenioso llamado "Diseño de Experimentos" para probar docenas de combinaciones sin desperdiciar meses de tiempo.

Midieron la "estabilidad del arco", que es básicamente qué tan constante es la llama de soldadura. Imagina intentar dibujar una línea recta con un bolígrafo que no deja de temblar; eso es un arco inestable. Si el bolígrafo es constante, obtienes una línea suave. Los investigadores descubrieron que el Voltaje y la Velocidad de Alimentación del Alambre eran los ingredientes más importantes. La velocidad de la antorcha no importaba tanto.

Al procesar los números, descubrieron el ajuste perfecto para mantener la llama estable:

• Velocidad de Desplazamiento: 481 mm/min
• Velocidad de Alimentación del Alambre: 5.9 m/min
• Voltaje: 23.4 V

Con estos ajustes, predijeron que el arco sería estable aproximadamente el 96.3% del tiempo. Es como encontrar la presión exacta para apretar un tubo de pasta de dientes para que salga en un flujo constante y perfecto sin salpicar.

Construendo las Paredes
Una vez que tuvieron su receta perfecta, construyeron dos tipos de paredes metálicas. Primero, hicieron paredes delgadas de una sola capa para probar qué tan fuerte era el metal al ser estirado (resistencia a la tracción). Luego, construyeron una pared mucho más gruesa depositando cuatro cordones de metal por capa, como apilar ladrillos con un pequeño solapamiento, para ver cómo se comportaba el metal en una forma más realista y robusta.

Los Resultados: Más Fuertes y Más Resistentes
Cuando probaron las paredes delgadas, los resultados fueron impresionantes.

• Antes del Tratamiento Térmico (Tal como se construyó): El metal ya era bastante fuerte, con una resistencia a la tracción (Resistencia Máxima a la Tracción) de 1253 MPa a 1366 MPa, dependiendo de la dirección en la que se tirara de él.
• Después del Tratamiento Térmico (Envejecido): Calentaron el metal a 480 °C durante 5 horas y lo dejaron enfriar. Esta es la parte del "envejecimiento". De repente, el metal se volvió aún más fuerte, alcanzando los 1613 MPa a 1687 MPa. Mejor aún, se volvió más elástico (la elongación pasó de aproximadamente un 6% a un 8.5–10.2%).

Normalmente, cuando el metal se vuelve más fuerte, se vuelve más quebradizo (como una rama seca que se rompe). Pero aquí, el metal se volvió más fuerte y más flexible. Los investigadores creen que esto se debe a que el tratamiento térmico suavizó algunas de las diminutas imperfecciones dejadas por el proceso de impresión.

La Sorpresa de la Pared Gruesa
Cuando observaron la pared gruesa de múltiples capas, encontraron algo interesante sobre su dureza.

• Antes del Tratamiento Térmico: Ya era bastante duro, con 508 HV1.0.
• Después del Tratamiento Térmico: Se volvió aún más duro, alcanzando los 625 HV1.0.

El hecho de que el metal "tal como se construyó" ya fuera tan duro sugiere que el proceso de construcción de la pared gruesa actuó como un mini-tratamiento térmico por sí mismo. A medida que se añadía cada nueva capa de metal caliente, esta recalentaba las capas inferiores, templándolas ligeramente antes del horneado final.

La Prueba de Tenacidad
Finalmente, probaron cuánta energía puede absorber el metal antes de romperse (tenacidad al impacto) utilizando una prueba de martillo oscilante (Charpy V-notch).

• Tal como se construyó: 438 ± 2 J
• Envejecido: 440 ± 3 J

Aquí está el giro: el tratamiento térmico hizo que el metal fuera más duro y fuerte, pero no cambió cuánta energía podía absorber. La tenacidad se mantuvo exactamente igual. Los investigadores explican que las características que controlan cómo se rompe el metal ya se establecieron durante el proceso de impresión mismo, no durante el calentamiento final. Es como si la "tenacidad" de una barra de chocolate estuviera determinada por cómo mezclas los ingredientes, no por cómo la envuelves en el envoltorio más tarde.

¿Qué Sigue?
El estudio concluye que este método es una forma viable de fabricar piezas grandes, fuertes y resistentes de acero maraging 18Ni-350. Encontraron un punto óptimo para los ajustes de la máquina que funciona bien para el modo de "cortocircuito" de la soldadura. Sin embargo, señalan que este "punto ideal" está justo en el límite de los ajustes que probaron. Para encontrar un óptimo global verdaderamente perfecto, tendrían que probar rangos de ajustes aún más amplios. También sugieren que el trabajo futuro debería profundizar en los diminutos cristales dentro del metal y ver si un tipo diferente de tratamiento térmico antes del envejecimiento final podría hacer que las piezas sean aún mejores.

En resumen, estos investigadores descubrieron cómo ajustar una gigantesca impresora 3D de metal para fabricar un acero superresistente que mejora incluso después de un baño caliente, demostando que se pueden imprimir piezas complejas y de alto rendimiento sin necesidad de una máquina de láser de un millón de dólares.