Una nueva investigación sobre el proceso de cristalización en aleaciones Finemet procesadas mediante fabricación aditiva ofrece una prometedora hoja de ruta para optimizar la producción de componentes magnéticos blandos basados en vidrios metálicos.

Los vidrios metálicos, también conocidos como metales amorfos, son valorados por su excepcional combinación de resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y propiedades magnéticas.

Entre ellos, las aleaciones Finemet resultan especialmente atractivas para aplicaciones energéticas como transformadores, inductores y motores eléctricos.

Sin embargo, su adopción generalizada se ha visto limitada por la dificultad de fabricar componentes macizos con geometrías complejas manteniendo su deseada estructura amorfa o nanocristalina.

La fabricación aditiva, y en particular la fusión por láser en lecho de polvo (LPBF por sus siglas en inglés), ofrece una alternativa prometedora frente a las técnicas más tradicionales. No obstante, las condiciones térmicas extremas inherentes al proceso LPBF pueden inducir la cristalización de la microestructura de hierro-silicio (Fe-Si) del Finemet.

Este fenómeno desempeña un papel clave en las propiedades finales del componente impreso. El tamaño, la distribución y el tipo de fases cristalinas determinan en última instancia la eficiencia magnética del material, su resistividad eléctrica y su comportamiento mecánico.

Por ello, una estructura nanocristalina finamente ajustada es fundamental para mejorar el rendimiento magnético y aumentar la eficiencia.

“Comprender estos mecanismos de cristalización es fundamental para la estabilidad y el rendimiento de los vidrios metálicos y, por tanto, para ampliar sus aplicaciones prácticas e integrarlos en sistemas complejos de alto rendimiento”, explica Saumya Sadanand, investigadora de IMDEA Materials y autora principal de la publicación.

El trabajo, publicado en Additive Manufacturing y desarrollado en el marco del proyecto europeo AM2SoftMag, demuestra cómo, mediante el uso de una estrategia de doble escaneado y la variación de la velocidad de escaneado durante el proceso de impresión, los investigadores pudieron ajustar las condiciones térmicas durante la fabricación.

Asimismo, analizaron su efecto sobre la microestructura resultante.

Los cristalitos formados durante este proceso resultaron ser significativamente más grandes y heterogéneos que los obtenidos mediante rutas convencionales, como el recocido de cintas obtenidas por “melt spinning”.

La variación en su tamaño, desde unas pocas decenas hasta varios cientos de nanómetros, se atribuye a las condiciones térmicas altamente localizadas y fluctuantes propias del proceso de fabricación aditiva.

Se demostró que la cristalización durante el proceso LPBF puede tener lugar tanto durante la rápida solidificación del baño fundido, bajo determinadas condiciones de enfriamiento, como en la zona afectada térmicamente (HAZ por sus siglas en inglés) durante pasadas láser posteriores.

“Lo que demuestra este trabajo es que, para fabricar un compuesto nanocristalino-amorfo con geometría compleja mediante LPBF, adecuado para su uso como componente pasivo en motores, la selección de parámetros debe orientarse a reducir las velocidades de enfriamiento”, señala Sadanand.

“Esto permite aumentar la tasa de nucleación, suprimir la formación de granos de gran tamaño y limitar la formación de nanocristales a la zona afectada térmicamente”.

Además, los investigadores identificaron la formación de una pequeña población de cristales dendríticos durante la solidificación en los límites del baño fundido, cuyo tamaño disminuye al aumentar las velocidades de enfriamiento.

“En conjunto, estos resultados ponen de manifiesto la fuerte influencia de los gradientes térmicos y de la dinámica de enfriamiento en los mecanismos de nucleación y crecimiento”, concluye Sadanand.

Esta investigación fue llevada a cabo por el grupo de Metalurgia Sostenible de IMDEA Materials bajo la dirección de la Prof. Teresa Pérez Prado, con contribuciones adicionales del Dr. Biaobiao Yang y el Dr. Marcos Rodríguez Sánchez.

Se realizó en colaboración con colegas de la Universidad del Sarre, la Universidad Rey Juan Carlos y la Universidad Técnica de Berlin.

Este trabajo se ha llevado a cabo en el marco del proyecto AM2SoftMag, financiado por el Consejo Europeo de Innovación a través de la convocatoria HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 (GA: 101046870).