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En un artículo reciente publicado en la revista Additive Manufacturing Letters, los investigadores analizan el proceso de fusión por láser de compuestos de cobre basados ​​en acero inoxidable 316L.
Investigación: Síntesis de compuestos de acero inoxidable-cobre 316L mediante fusión láser.Crédito de la imagen: Pedal en stock/Shutterstock.com
Aunque la transferencia de calor dentro de un sólido homogéneo es difusa, el calor puede viajar a través de una masa sólida a lo largo del camino de menor resistencia.En radiadores de espuma metálica, se recomienda utilizar anisotropía de conductividad térmica y permeabilidad para aumentar la tasa de transferencia de calor.
Además, se espera que la conducción térmica anisotrópica ayude a reducir las pérdidas parásitas causadas por la conducción axial en intercambiadores de calor compactos.Se han utilizado varios métodos para cambiar la conductividad térmica de aleaciones y metales.Ninguno de estos enfoques es adecuado para ampliar las estrategias de control direccional del flujo de calor en componentes metálicos.
Los compuestos de matriz metálica (MMC) se producen a partir de polvos molidos con bolas mediante tecnología de fusión por láser en lecho de polvo (LPBF).Recientemente se ha propuesto un nuevo método híbrido LPBF para fabricar aleaciones ODS 304 SS dopando precursores de óxido de itrio en una capa de polvo de 304 SS antes de la densificación láser utilizando tecnología de inyección de tinta piezoeléctrica.La ventaja de este enfoque es la capacidad de ajustar selectivamente las propiedades del material en diferentes áreas de la capa de polvo, lo que permite controlar las propiedades del material dentro del volumen de trabajo de la herramienta.
Representación esquemática del método de lecho calentado para (a) postcalentamiento y (b) conversión de tinta.Crédito de la imagen: Murray, JW et al.Cartas sobre Fabricación Aditiva.
En este estudio, los autores utilizaron tinta de inyección de Cu para demostrar un método de fusión por láser para producir compuestos de matriz metálica con mejor conductividad térmica que el acero inoxidable 316L.Para simular un método híbrido de fusión de lecho de polvo y chorro de tinta, se dopó una capa de polvo de acero inoxidable con tintas precursoras de cobre y se utilizó un nuevo depósito para controlar los niveles de oxígeno durante el procesamiento láser.
El equipo creó compuestos de acero inoxidable 316L con cobre utilizando tinta de cobre para inyección de tinta en un entorno que simulaba una aleación láser en un lecho de polvo.Preparación de reactores químicos utilizando una nueva técnica híbrida de inyección de tinta y LPBF que aprovecha la conducción térmica direccional para reducir el tamaño y el peso total del reactor.Se demuestra la posibilidad de crear materiales compuestos utilizando tintas de inyección.
Los investigadores se centraron en la selección de precursores de tinta de Cu y el procedimiento de fabricación de productos de prueba compuestos para determinar la densidad del material, la microdureza, la composición y la difusividad térmica.Se seleccionaron dos tintas candidatas en función de su estabilidad a la oxidación, pocos o ningún aditivo, compatibilidad con los cabezales de impresión de inyección de tinta y un mínimo de residuos después de la conversión.
Las primeras tintas CufAMP utilizan formato de cobre (Cuf) como sal de cobre.El hexafluoroacetilacetonato de viniltrimetilcobre (II) (Cu(hfac)VTMS) es otro precursor de la tinta.Se realizó un experimento piloto para ver si el secado y la descomposición térmica de la tinta dan como resultado una mayor contaminación por cobre debido al arrastre de subproductos químicos en comparación con el secado y la descomposición térmica convencionales.
Utilizando ambos métodos, se crearon dos microcupones y se comparó su microestructura para determinar el efecto del método de cambio.Con una carga de 500 gf y un tiempo de retención de 15 s, se midió la microdureza Vickers (HV) en la sección transversal de la zona de fusión de dos muestras.
Esquema de la configuración experimental y los pasos del proceso repetidos para fabricar muestras compuestas de 316L SS-Cu fabricadas utilizando el método de lecho calentado.Crédito de la imagen: Murray, JW et al.Cartas sobre Fabricación Aditiva.
Se encontró que la conductividad térmica del compuesto es un 187% mayor que la del acero inoxidable 316L y la microdureza es un 39% menor.Los estudios microestructurales han demostrado que la reducción del agrietamiento interfacial puede mejorar la conductividad térmica y las propiedades mecánicas de los compuestos.Para que el calor fluya direccionalmente dentro del intercambiador de calor, es necesario aumentar selectivamente la conductividad térmica del acero inoxidable 316L.El compuesto tiene una conductividad térmica efectiva de 41,0 W/mK, 2,9 veces la del acero inoxidable 316L y una reducción del 39% en la dureza.
En comparación con el acero inoxidable 316L forjado y recocido, la microdureza de la muestra en la capa calentada fue de 123 ± 59 HV, un 39% menor.La porosidad del composite final fue del 12%, lo que se asocia con la presencia de cavidades y grietas en la interfaz entre las fases SS y Cu.
Para las muestras después del calentamiento y la capa calefactora, la microdureza de las secciones transversales de la zona de fusión se determinó como 110 ± 61 HV y 123 ± 59 HV, respectivamente, que es un 45% y un 39% menor que 200 HV para forjado-recocido. Acero inoxidable 316L.Debido a la gran diferencia en la temperatura de fusión del Cu y el acero inoxidable 316L, aproximadamente 315 °C, se formaron grietas en los compuestos fabricados como resultado del craqueo por fluidización causado por la fluidización del Cu.
Imagen BSE (arriba a la izquierda) y mapa de elementos (Fe, Cu, O) después del calentamiento de la muestra, obtenidos mediante análisis WDS.Crédito de la imagen: Murray, JW et al.Cartas sobre Fabricación Aditiva.
En conclusión, este estudio demuestra un nuevo enfoque para crear compuestos 316L SS-Cu con mejor conductividad térmica que el 316L SS utilizando tinta de cobre pulverizada.El compuesto se fabrica colocando tinta en una caja de guantes y convirtiéndola en cobre, luego agregando polvo de acero inoxidable encima, luego mezclándolo y curándolo en un soldador láser.
Los resultados preliminares muestran que la tinta Cuf-AMP a base de metanol puede degradarse a cobre puro sin formar óxido de cobre en un entorno similar al proceso LPBF.El método de lecho calentado para aplicar y convertir tinta crea microestructuras con menos huecos e impurezas que los procedimientos convencionales de poscalentamiento.
Los autores señalan que estudios futuros explorarán formas de reducir el tamaño de grano y mejorar la fusión y mezcla de las fases SS y Cu, así como las propiedades mecánicas de los compuestos.
Murray JW, Speidel A., Spierings A. et al.Síntesis de compuestos de cobre y acero inoxidable 316L mediante fusión láser.Hoja informativa sobre fabricación aditiva 100058 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000329
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Surbhi Jain es un escritor independiente sobre tecnología que vive en Delhi, India.Tiene un doctorado.Es doctor en Física por la Universidad de Delhi y ha participado en diversas actividades científicas, culturales y deportivas.Su formación académica se centra en la investigación en ciencia de materiales con especialización en el desarrollo de dispositivos y sensores ópticos.Tiene una amplia experiencia en redacción de contenidos, edición, análisis de datos experimentales y gestión de proyectos, y ha publicado 7 artículos de investigación en revistas indexadas de Scopus y ha presentado 2 patentes indias basadas en su trabajo de investigación.Le apasiona la lectura, la escritura, la investigación y la tecnología y le gusta cocinar, jugar, la jardinería y los deportes.
Jainismo, Surbhi.(25 de mayo de 2022).La fusión por láser permite la producción de compuestos reforzados de acero inoxidable y cobre.ARIZONA.Obtenido el 25 de diciembre de 2022 de https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
Jainismo, Surbhi."La fusión por láser permite la producción de compuestos reforzados de acero inoxidable y cobre".ARIZONA.25 de diciembre de 2022.25 de diciembre de 2022.
Jainismo, Surbhi."La fusión por láser permite la producción de compuestos reforzados de acero inoxidable y cobre".ARIZONA.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.(Al 25 de diciembre de 2022).
Jainismo, Surbhi.2022. Producción de compuestos reforzados de acero inoxidable/cobre mediante fusión láser.AZoM, consultado el 25 de diciembre de 2022, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
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