Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior
Este estudio demuestra que la optimización de las modificaciones de Sc/Zr y Zn/Zr en aleaciones de Al–7Mg depositadas mediante energía dirigida por láser refina eficazmente la estructura de grano para lograr un equilibrio superior entre alta resistencia a la tracción y resistencia a la corrosión, ofreciendo una estrategia rentable para reducir la dependencia del escandio.
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Las piezas metálicas para aviones, coches y barcos a menudo necesitan ser increíblemente fuertes y ligeras, pero también deben resistir la lenta y destructiva mordida del óxido y el agua salada. Durante décadas, los ingenieros han confiado en el aluminio para estos trabajos porque es naturalmente ligero y resistente a la corrosión. Sin embargo, fabricar piezas de aluminio que también sean lo suficientemente fuertes para aplicaciones de alto estrés ha sido un desafío persistente, especialmente cuando se utilizan técnicas de fabricación modernas que construyen objetos capa por capa. Una de estas técnicas, conocida como deposición de energía dirigida por láser, funciona como un soplete de soldadura de alta precisión que funde el polvo de metal y lo fusiona en una forma sólida. Si bien este método permite la creación de estructuras complejas y ligeras que las fábricas tradicionales no pueden producir, a menudo deja al metal con una estructura interna gruesa e irregular que lo hace débil y propenso a agrietarse. Para solucionar esto, los científicos han buscado durante mucho tiempo añadir pequeñas cantidades de elementos específicos a la mezcla de aluminio para refinar su estructura de grano interno, de forma muy similar a cómo un panadero podría añadir un ingrediente específico para asegurar que el pan suba uniformemente, pero encontrar una manera de hacer esto sin utilizar materiales caros o raros ha sido el santo grial del campo.
Un equipo de investigadores se propuso resolver este problema probando dos estrategias diferentes para modificar una aleación de aluminio común que contiene un siete por ciento de magnesio. Su objetivo era ver si podían crear un material que no solo fuera fuerte y libre de grietas, sino también resistente a la corrosión, todo ello manteniendo los costes bajos. Comenzaron utilizando un láser para fundir y fusionar polvo de metal, ajustando cuidadosamente la potencia del láser y la velocidad a la que se movía para asegurar que el metal se fundiera suavemente sin formar agujeros o grietas. Una vez que perfeccionaron el proceso de impresión para la aleación de aluminio base, introdujeron dos conjuntos diferentes de aditivos. El primer conjunto incluyó pequeñas cantidades de escandio y circonio, elementos conocidos por ser excelentes para romper los granos de metal grandes en granos pequeños y uniformes, aunque el escandio es notoriamente caro y difícil de obtener. El segundo conjunto reemplazó el costoso escandio con zinc, un metal mucho más barato y común, junto con circonio, para ver si podía lograr resultados similares.
Los resultados de sus experimentos revelaron un panorama claro de cómo estos aditivos cambiaron el metal. La aleación de aluminio base, sin ningún aditivo especial, formó granos grandes que promediaban más de cien micrómetros de tamaño, que es aproximadamente el ancho de un cabello humano. Cuando los investigadores añadieron escandio y circonio, la estructura interna cambió drásticamente. Los granos se volvieron increíblemente finos, reduciéndose a un tamaño promedio de menos de diez micrómetros. Este refinamiento hizo que el metal fuera significamente más fuerte y uniforme. La aleación con la mayor cantidad de escandio resultó ser la más fuerte, capaz de soportar una fuerza de tracción de más de cuatrocientos megapascales antes de romperse, manteniendo al mismo tiempo suficiente flexibilidad para estirarse sin quebrarse. Curiosamente, las aleaciones modificadas con zinc también mostraron una mejora importante respecto al metal base, con sus granos reduciéndose a unos quince o dieciséis micrómetros. Aunque no eran tan finos como las versiones de escandio, este nivel de refinamiento seguía siendo impresionante y resultó en un material casi tan fuerte como la opción más cara.
Más allá de la resistencia, los investigadores estaban interesados en ver cómo estas nuevas aleaciones resistirían la corrosión, un factor crítico para cualquier metal utilizado en entornos marinos o automotrices. Expusieron las muestras impresas a una bruma constante de agua salada durante varios días para simular condiciones adversas. La aleación que contenía la menor cantidad de escandio fue la que mejor se desempeñó en esta prueba, perdiendo la menor cantidad de peso y mostrando la tasa de corrosión más lenta. Las aleaciones modificadas con zinc, aunque fuertes, mostraron tasas de corrosión ligeramente más altas, lo que sugiere que el zinc podría crear diminutas áreas dentro del metal donde el óxido podría comenzar más fácilmente. El estudio también observó que, durante el proceso de impresión por láser, parte del magnesio y el zinc se evaporaron debido al intenso calor, pero las aleaciones aún retuvieron suficientes de estos elementos para funcionar según lo previsto. El escandio y el circonio, sin embargo, permanecieron estables durante todo el proceso.
Los hallazgos sugieren un camino práctico para la industria. Si bien la aleación modificada con escandio ofrece el mejor equilibrio general entre resistencia y resistencia a la corrosión, la versión modificada con zinc proporciona una alternativa atractiva y de menor coste que sigue ofreciendo un alto rendimiento. Los investigadores demostraron que, mediante el control cuidadoso del proceso de impresión y la elección de la mezcla adecuada de elementos, es posible crear piezas de aluminio que estén libres de grietas, tengan una estructura interna muy fina y posean la resistencia mecánica necesaria para aplicaciones exigentes. Este trabajo indica que los ingenieros no necesitan necesariamente depender de los materiales más caros para lograr resultados de alta calidad; en su lugar, pueden utilizar combinaciones estratégicas de elementos comunes y raros para adaptar el aluminio para el futuro de la fabricación ligera.
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