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Los investigadores utilizan la impresión 3D para producir constantemente uno de los aceros más fuertes del mundo

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23-mar-2023 (Noticias de Nanowerk) La durabilidad es una característica crítica de los materiales utilizados para producir maquinaria industrial, embarcaciones marinas, aeronaves y dispositivos médicos. Para estas aplicaciones, los fabricantes confían en un tipo particular de acero inoxidable conocido como 17-4 PH debido a sus propiedades notablemente fuertes y resistentes a la corrosión. Ahora, por primera vez, los investigadores han encontrado una manera de fabricar acero 17-4 PH de manera consistente utilizando métodos de impresión 3D, al mismo tiempo que conservan todas las características de alto valor del material. Los hallazgos han sido publicados en la revista Fabricación aditiva (“Desarrollo de aleaciones guiadas por dinámicas de transformación de fase para fabricación aditiva”). Para lograr este avance, los científicos recurrieron a Advanced Photon Source (APS), una fuente estadounidense Instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. Utilizando una técnica llamada difracción de rayos X, científicos de Argonne, EE. UU. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) del Departamento de Comercio y la Universidad de Wisconsin-Madison pudieron examinar los sutiles y rápidos cambios de fase de los materiales a medida que se imprimía el acero. Esto les permitió monitorear y dirigir la formación de su estructura y determinar su desempeño. Esta investigación ayuda a los fabricantes a utilizar la impresión 3D para reducir costos y aumentar la flexibilidad en comparación con los métodos de fundición tradicionales. También sienta las bases para la impresión en 3D de otras aleaciones de alto rendimiento, como la aleación de titanio y la superaleación a base de níquel. También conocida como fabricación aditiva, la impresión 3D es la construcción de un objeto 3D a partir de un modelo digital. Producir acero y otras aleaciones metálicas de esta manera ha sido durante mucho tiempo un desafío. Durante el proceso de impresión, las temperaturas cambian rápidamente, lo que dificulta la observación de la estructura cristalina de los átomos dentro del material. Al imprimir acero 3-17 PH en 4D, la estructura cristalina debe tener una composición precisa. El PH significa endurecimiento por precipitación, una técnica de tratamiento térmico utilizada para fortalecer los materiales maleables, y los números se refieren a la composición de la aleación: 17 % de cromo y 4 % de níquel. La estructura del acero 17-4 PH incluye nanopartículas que contribuyen a la resistencia característica del material. “Cuando un material se enfría muy rápido durante la impresión 3D como lo hace el acero 17-4 PH, los fabricantes luchaban anteriormente por comprenderlo bien y no podían predecir lo que iban a obtener”, dijo Lianyi Chen, profesora asociada de Ingeniería Mecánica. departamento de la Universidad de Wisconsin-Madison, que formó parte del equipo de investigación. “El APS desempeñó un papel fundamental, permitiéndonos ver el comportamiento de transformación del material, incluso en estas condiciones de enfriamiento rápido. Ahora podemos hacer un seguimiento en tiempo real para ver el cambio de estructura”. Utilizando los haces de rayos X de alta energía que produce el APS, “ahora podemos mirar dentro del metal mientras se fabrica para observar las secuencias de formación de fases. Estos tienen un impacto significativo en las propiedades finales de los aceros”, dijo Andrew Chihpin Chuang, físico de la división de ciencia de rayos X en Argonne. Debido a que los cambios a nivel atómico durante la impresión 3D ocurren tan rápidamente, los investigadores necesitaban una técnica de investigación igualmente rápida. “Podemos observar el desarrollo de la microestructura en tiempo real debido al alto brillo del APS”, dijo Peter Kenesei, físico de la división de ciencia de rayos X de Argonne. “El investigador puede tomar decisiones rápidamente para ajustar los parámetros de impresión con el fin de obtener una microestructura deseada”. Los investigadores creen que sus resultados muestran cómo las instalaciones para usuarios, como el APS, pueden permitir que Estados Unidos tenga una ventaja competitiva para impulsar la próxima generación de tecnologías de fabricación avanzadas. “Esperamos que nuestro éxito con este estudio ayude a aumentar el impacto industrial de la investigación que surge de las instalaciones de usuarios de sincrotrón estadounidenses, como el APS”, dijo el investigador Fan Zhang, físico del NIST. “Si queremos establecer el liderazgo estadounidense en la fabricación avanzada, estas instalaciones son un gran activo. La fabricación aditiva abre el espacio del diseño, permitiéndonos crear piezas complejas que a menudo son imposibles cuando se utilizan tecnologías convencionales.
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