Diode Area Melting of Ti6Al4V: Effects of Multi-Laser Processing on Microstructure and Residual Stress

Resumen Técnico: Fusión por Área de Diodos de Ti6Al4V – Efectos del Procesamiento de Multiláser en la Microestructura y el Esfuerzo Residual

Planteamiento del Problema
La Fusión de Lecho de Polvo por Láser (LPBF) es una técnica de fabricación aditiva dominante para componentes metálicos, pero se ve limitada por ciclos térmicos rápidos que generan gradientes de temperatura pronunciados y altos esfuerzos residuales. Estas condiciones a menudo conducen al alabeo, agrietamiento e inestabilidad dimensional en componentes como el Ti6Al4V. Si bien la LPBF produce microestructuras finas beneficiosas para la resistencia, la historia térmica asociada limita el control sobre el comportamiento de solidificación. La Fusión por Área de Diodos (DAM) ha surgido como una alternativa novedosa, utilizando arreglos de láseres de diodo de baja potencia (808 nm) en lugar de un único láser de fibra de alta potencia reflejado por un sistema galvo. Aunque estudios previos han demostrado la viabilidad de la DAM para diversos metales y su potencial para reducir las tasas de enfriamiento, existe una comprensión limitada de cómo las interacciones de multiláser influyen específicamente en la penetración térmica, el comportamiento de solidificación y el desarrollo de esfuerzos residuales en el Ti6Al4V.

Metodología
Este estudio utilizó un sistema DAM personalizado desarrollado en la Universidad de Sheffield, que cuenta con un cabezal óptico basado en un pórtico capaz de integrar hasta 100 láseres de diodo de baja potencia. Para esta investigación, se fabricaron muestras de capa única de Ti6Al4V utilizando 3, 4 y 5 láseres de diodo alineados (longitud de onda de 808 nm, 5 W por láser). El diseño experimental varió sistemáticamente el número de láseres activados y las velocidades de escaneo (100, 150, 200 y 250 mm/min), manteniendo un espaciamiento de surco constante de 200 µm y un espesor de lecho de polvo de 1 mm.

Los métodos de caracterización incluyeron:

• Análisis de Superficie: Profilometría 3D para medir la rugosidad superficial ($R_a$).
• Análisis Microestructural: Microscopía óptica (OM) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para la geometría del baño de fusión; difracción de electrones retrodispersados (EBSD) para la estructura de grano, identificación de fases y espaciamiento de las láminas $\alpha$; y difracción de rayos X (XRD) para la constitución de fases.
• Análisis de Esfuerzo Residual: XRD utilizando el método $\sin^2\psi$ para medir los esfuerzos residuales cerca de la superficie tanto en la dirección de escaneo ($\sigma_{xx}$) como en la dirección perpendicular ($\sigma_{yy}$).
• Simulación: Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) utilizando el software FLOW-3D™ para estimar las tasas de enfriamiento bajo las condiciones de procesamiento específicas.

Resultados Clave

1. Morfología de Superficie: El proceso DAM produjo superficies significativamente más lisas en comparación con el Ti6Al4V típico de la LPBF tal cual (que a menudo exhibe una $R_a$ de 10–15 µm). La configuración de 5 láseres produjo las superficies más lisas ($R_a$ = 1.2–1.3 µm), atribuido a un mayor índice de solapamiento (aprox. 45.9%) entre trazas de fusión adyacentes, lo que promovió la remelción parcial y suprimió el efecto de "balling". En contraste, la configuración de 3 láseres resultó en superficies más rugosas ($R_a$ = 5.4–6.6 µm) debido a un menor solapamiento y discontinuidades térmicas.
2. Baño de Fusión y Penetración Térmica: El aumento del número de láseres incrementó tanto la profundidad del baño de fusión como la profundidad de la zona afectada por el calor (HAZ). La configuración de 5 láseres a 100 mm/min alcanzó una profundidad de baño de ~108 µm y una profundidad de HAZ de ~475 µm. Las velocidades de escaneo más altas redujeron la penetración térmica, provocando baños más superficiales e inestabilidad.
3. Microestructura y Fase: El proceso DAM resultó en una estructura de láminas $\alpha$ más gruesa (0.8–1.3 µm) en comparación con la LPBF (típicamente <0.5 µm). Este engrosamiento está vinculado a las tasas de enfriamiento significativamente menores observadas en DAM. Crucialmente, se observó la retención de la fase $\beta$ detectable en las muestras de 4 y 5 láseres, particularmente a velocidades de escaneo más bajas. Esto contrasta con la LPBF, donde el enfriamiento rápido típicamente suprime la retención de la fase $\beta$ en favor de estructuras martensíticas $\alpha'$. La presencia de la fase $\beta$ se atribuyó a las tasas de enfriamiento más lentas que permiten transformaciones controladas por difusión.
4. Tasas de Enfriamiento: Las tasas de enfriamiento simuladas oscilaron entre 2,211 K/s y 8,400 K/s, lo cual es sustancialmente menor que los $10^4$–$10^7$ K/s típicos de la LPBF. Las tasas de enfriamiento disminuyeron con un aumento en el número de láseres (debido a la acumulación de calor) y aumentaron con la velocidad de escaneo.
5. Esfuerzo Residual: Los esfuerzos de tracción residuales en las muestras de DAM fueron notablemente menores que los reportados para la LPB. El esfuerzo de tracción máximo medido fue de 138.2 MPa (en la condición de 3 láseres, 250 mm/min), comparado con los valores de LPBF que pueden exceder los 688 MPa. Los niveles de esfuerzo disminuyeron a medida que aumentó el número de láseres (las muestras de 5 láseres mostraron el menor esfuerzo) y aumentaron con la velocidad de escaneo. La anisotropía del esfuerzo siguió las tendencias de la LPBF, con $\sigma_{xx}$ (dirección de escaneo) consistentemente mayor que $\sigma_{yy}$.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que el proceso DAM ofrece un mejor control sobre la solidificación y la evolución de los esfuerzos en componentes de Ti6Al4V. Al emplear múltiples láseres de diodo de baja potencia, la DAM logra tasas de enfriamiento significativamente más bajas, lo que facilita la formación de láminas $\alpha$ más gruesas y la retención de las fases $\beta$, desviándose de las estructuras martensíticas típicas de la LPBF.

El estudio postula que estas tasas de enfriamiento más bajas son el mecanismo principal para la reducción sustancial del esfuerzo de tracción residual. Los ciclos térmicos más lentos permiten la relajación de esfuerzos mediante la deformación plástica a temperaturas elevadas, mitigando así los altos esfuerzos residuales que a menudo causan el alabeo y el agrietamiento en las piezas de LPBF. Además, el acabado superficial mejorado y los niveles reducidos de esfuerzo sugieren que la DAM tiene el potencial de extender la vida útil de los componentes al suprimir la iniciación de grietas por fatiga.

Los autores mantienen un alcance modesto, señalando que los hallazgos actuales se limitan a especímenes de capa única donde la acumulación de esfuerzo por el ciclo térmico entre capas se minimiza. Concluyen que, si bien el proceso es prometedor para la fabricación confiable, el trabajo futuro debe extenderse a especímenes de múltiples capas para comprender plenamente los efectos térmicos acumulativos en la producción de componentes voluminosos.