• Las aleaciones de titanio-hierro (Ti-Fe) fabricadas mediante manufactura aditiva ofrecen altas resistencias a temperaturas elevadas y una favorable relación resistencia-peso.
• Su potencial para emplearse en la fabricación de componentes 3D complejos se combina con la posibilidad de constituir una alternativa de menor coste frente a aleaciones tradicionales de alta temperatura.

El desarrollo de metales específicamente diseñados para la manufactura aditiva, también conocida como impresión 3D de metales, es cada vez más importante. Este proceso impone condiciones térmicas y velocidades de solidificación muy diferentes a las de los métodos de fabricación convencionales.

En el Instituto IMDEA Materiales, la Dra. JoAnn Ballor lidera UTIFE, un proyecto Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellowship centrado en aleaciones eutécticas de Ti-Fe ultrafinas y jerárquicamente estructuradas, diseñadas para estas condiciones.

La Dra. Ballor estudia estas aleaciones utilizando selective laser melting (SLM) junto con técnicas tomográficas avanzadas, con el fin de observar cómo evolucionan sus microestructuras durante la impresión y cómo pueden formarse o mitigarse defectos como las grietas.

Designing new metals for additive manufacturing

Dado que sigue siendo una técnica relativamente reciente, muchas de las aleaciones empleadas hoy en impresión 3D se diseñaron originalmente para métodos convencionales como la fundición, la forja o el mecanizado.

Estos procesos implican cambios de temperatura lentos y predecibles. En contraste, la manufactura aditiva funde el polvo metálico con un láser altamente concentrado, que se enfría de nuevo a gran velocidad en cada nueva capa.

“El calor modifica cómo se forma la estructura interna de un metal”, explica la Dra. Ballor. “Y el SLM expone cada capa de la pieza a ciclos extremadamente rápidos de calentamiento y enfriamiento.”

The promise of Ti-Fe-based eutectic alloys

Las aleaciones eutécticas ultrafinas de Ti-Fe estudiadas en UTIFE se diseñaron originalmente para aplicaciones aeroespaciales a altas temperaturas. Su principal atractivo radica en su capacidad para formar una microestructura eutéctica ultrafina y uniforme en toda la pieza, algo posible únicamente gracias a la rápida solidificación inherente al SLM.

En este contexto, las estructuras eutécticas ofrecen dos ventajas clave: una microestructura ultrafina de alta resistencia, y una gran uniformidad en todo el componente impreso. Esto evita puntos débiles o segregaciones de fases que pueden aparecer en aleaciones no eutécticas, mejorando la fiabilidad del material.

“En el anterior proyecto ELAM, orientado al desarrollo de nuevas aleaciones eutécticas de alta resistencia y en el que IMDEA Materials desempeñó un papel clave, una aleación concreta de Ti-Fe con microestructuras eutécticas ultrafinas mostró un mejor rendimiento que otras aleaciones diseñadas para aplicaciones similares a temperaturas de hasta 450 °C”, señala la Dra. Ballor.

“Sin embargo, un desafío importante al que aún se enfrentan estas aleaciones es la aparición de grietas. Aunque pueden imprimirse a altas temperaturas, fuera del rango de los sistemas SLM comerciales, cuando se imprimen en el rango comercial (entre temperatura ambiente y 400 °C) se forman grietas durante el proceso”.

“Esto es un problema crítico, ya que las piezas sin grietas son esenciales en aplicaciones aeroespaciales. Resolverlo es el objetivo central de UTIFE”, añade.

Improving the reliability of metal 3D printing

El proceso SLM utilizado en el proyecto ofrece dos ventajas principales: la capacidad de generar microestructuras ultrafinas que no pueden obtenerse mediante rutas tradicionales, y la posibilidad de reparar grietas a medida que se construyen las capas.

La investigación de la Dra. Ballor analiza cómo se inician, crecen e interactúan las grietas con el material fundido, y cómo el propio proceso puede permitir su “reparación” in situ. Estos conocimientos ayudarán a avanzar hacia la comercialización de las aleaciones de Ti-Fe.

Este trabajo también es relevante para otras aleaciones propensas al agrietamiento.

“Una vez entendamos realmente cómo se forman y evolucionan los defectos durante el SLM”, señala, “podremos hacer que la manufactura aditiva sea más predecible y fiable, aumentando su atractivo para aplicaciones comerciales”.

Looking inside materials as they form

Un rasgo distintivo de UTIFE es el uso combinado de tomografía computarizada de rayos X de sincrotrón in situ (S-XCT) junto con radiografía de rayos X de alta velocidad, técnicas capaces de ver el interior de la aleación mientras está siendo impresa.

Los rayos X de sincrotrón tienen suficiente energía para visualizar defectos diminutos, como grietas o poros, dentro del metal.

“Por otro lado, estas técnicas de radiografía nos permiten obtener un vídeo 2D de alta velocidad del polvo metálico a medida que el láser lo funde para formar la muestra sólida, permitiéndonos ver en tiempo real cómo se forman los defectos”, explica la Dra. Ballor. “Es una perspectiva imposible de obtener con cualquier otra técnica disponible”.

La tomografía in situ reconstruye después una imagen 3D de cada capa tras el paso del láser, mostrando cómo evolucionan las grietas a medida que el material se funde, se vuelve a fundir y enfría.

La combinación de ambas técnicas permite construir una imagen detallada de la evolución microestructural a múltiples escalas, desde la nanoescala hasta la macroscópica.

Con ello, la Dra. Ballor aspira a comprender mejor los mecanismos de formación de grietas, porosidad y reparación, obtener una caracterización 3D multiescala de la microestructura y establecer relaciones claras entre procesado, microestructura y propiedades del material.