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En un artículo reciente publicado en la revista Additive Manufacturing Letters, los investigadores analizan la utilidad de las salpicaduras de acero inoxidable grabadas químicamente para prolongar la vida útil del polvo en la fabricación aditiva.
Investigación: Prolongación de la vida útil del polvo en la fabricación aditiva: Grabado químico de salpicaduras de acero inoxidable. Crédito de la imagen: MarinaGrigorivna/Shutterstock.com
Las partículas de salpicadura producidas por la fusión selectiva por láser de lecho de polvo metálico (LPBF, por sus siglas en inglés) se generan por las gotas fundidas expulsadas del baño de fusión o por las partículas de polvo calentadas a una temperatura cercana o superior al punto de fusión al pasar a través del haz láser.
A pesar del uso de un entorno inerte, la alta reactividad del metal cerca de su temperatura de fusión favorece la oxidación. Si bien las partículas proyectadas durante la fusión LPBF permanecen al menos brevemente en la superficie, es probable que se produzca la difusión de elementos volátiles hacia la superficie, y estos elementos con alta afinidad por el oxígeno producen gruesas capas de óxido.
Dado que la presión parcial de oxígeno en LPBF suele ser mayor que en la atomización de gases, aumenta la posibilidad de unión con el oxígeno.
Se sabe que las salpicaduras de acero inoxidable y aleaciones a base de níquel se oxidan rápidamente, formando islas de hasta varios metros de espesor. Además, los aceros inoxidables y las aleaciones a base de níquel, como las que producen salpicaduras de óxido de tipo isla, son materiales que se mecanizan con mayor frecuencia en LPBF, y la aplicación de este método a salpicaduras de metal LPBF más típicas demuestra que la renovación química es fundamental para el polvo de la forma habitual.
(a) Imagen SEM de partículas de salpicaduras de acero inoxidable, (b) método experimental de grabado químico térmico, (c) tratamiento LPBF de partículas de salpicaduras desoxidadas. Crédito de la imagen: Murray, J. W, et al, Additive Manufacturing Letters
En este estudio, los autores emplearon una nueva técnica de grabado químico para eliminar óxidos de la superficie de polvos de acero inoxidable oxidados. La disolución del metal alrededor y debajo de las islas de óxido en el polvo se utiliza como mecanismo principal para la eliminación de óxido, lo que permite una eliminación de óxido más agresiva. Los polvos de salpicadura, grabado y vírgenes se tamizaron al mismo rango de tamaño de partícula para el procesamiento LPBF.
El equipo demostró cómo eliminar los óxidos de las partículas de salpicaduras de acero inoxidable, especialmente aquellas que se aislaron mediante técnicas químicas para formar islas de óxido ricas en Si y Mn en la superficie del polvo. Se recogieron 316 L de salpicaduras del lecho de polvo de las impresiones LPBF y se grabaron químicamente por inmersión. Después de clasificar todas las partículas al mismo rango de tamaño, el proceso LPBF las combina en una sola pasada con salpicaduras grabadas optimizadas y acero inoxidable virgen.
Los investigadores analizaron la temperatura, así como dos agentes de grabado de acero inoxidable diferentes. Tras seleccionar las partículas del mismo tamaño, se crearon pistas individuales LPBF utilizando polvos vírgenes similares, polvos de salpicadura y polvos de salpicadura grabados de forma eficiente.
Trazas individuales de LPBF generadas a partir de salpicaduras, salpicaduras de grabado y polvo prístino. La imagen de alta magnificación muestra que la capa de óxido predominante en la pista pulverizada se elimina en la pista pulverizada grabada. El polvo original mostró que aún quedaban algunos óxidos presentes. Crédito de la imagen: Murray, J. W, et al, Additive Manufacturing Letters
La cobertura de óxido en el polvo de acero inoxidable 316L disminuyó en un factor de 10, del 7% al 0,7%, después de calentar el reactivo de Ralph a 65 °C en un baño de agua durante 1 hora. Al mapear la gran área, los datos EDX mostraron una reducción en los niveles de oxígeno del 13,5% al ​​4,5%.
El material de protección grabado presenta una menor capa de escoria de óxido en la superficie de la vía en comparación con el material de protección grabado. Además, el grabado químico del polvo aumenta su asimilación en la vía. El grabado químico tiene el potencial de mejorar la reutilización y la durabilidad del material de protección grabado o de los polvos de uso masivo fabricados con polvos de acero inoxidable ampliamente utilizados y resistentes a la corrosión.
En todo el rango de tamaño de tamiz de 45 a 63 µm, las partículas aglomeradas restantes en los polvos de salpicaduras grabados y sin grabar explican por qué los volúmenes traza de los polvos grabados y salpicados son similares, mientras que los volúmenes de los polvos originales son aproximadamente un 50 % mayores. Se observó que los polvos aglomerados o que forman satélites afectan la densidad aparente y, por lo tanto, el volumen.
Las salpicaduras grabadas tienen una menor capa de escoria de óxido en la superficie de la pista en comparación con las salpicaduras. Cuando los óxidos se eliminan químicamente, los polvos semiligados y desnudos demuestran evidencia de una mejor unión de los óxidos reducidos, lo que se atribuye a una mejor humectabilidad.
Esquema que muestra los beneficios del tratamiento LPBF para la eliminación química de óxidos del polvo de pulverización en sistemas de acero inoxidable. Se logra una excelente humectabilidad mediante la eliminación de óxidos. Crédito de la imagen: Murray, J. W, et al, Additive Manufacturing Letters
En resumen, este estudio utilizó un procedimiento de grabado químico para regenerar químicamente polvos de salpicaduras de acero inoxidable altamente oxidados mediante inmersión en el reactivo de Ralph, una solución de cloruro férrico y cloruro cúprico en ácido clorhídrico. Se observó que la inmersión en la solución de grabado de Ralph calentada durante 1 hora produjo una reducción de 10 veces en la cobertura del área de óxido en el polvo salpicado.
Los autores creen que el grabado químico tiene el potencial de mejorarse y utilizarse a mayor escala para renovar múltiples partículas de salpicaduras reutilizadas o polvos LPBF, aumentando así el valor de los costosos materiales a base de polvo.
Murray, JW, Speidel, A., Spierings, A. et al. Extensión de la vida útil del polvo en la fabricación aditiva: grabado químico de salpicaduras de acero inoxidable. Additive Manufacturing Letters 100057 (2022). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000317
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Jainismo, Subi. (24 de mayo de 2022). Nuevo método de grabado químico elimina óxidos del polvo de salpicaduras de acero inoxidable oxidado. AZOM. Recuperado el 21 de julio de 2022 de https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59143.
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