La impresión láser 3D incluye principalmente materiales poliméricos orgánicos (plásticos, resinas, cauchos, etc.), materiales metálicos (aleaciones de alta temperatura a base de níquel, aleaciones de titanio, aleaciones de magnesio y aluminio, acero inoxidable, metales preciosos, etc.), materiales cerámicos. (comfusión de alúmina-zirconia), etc. Sin embargo, la investigación e industrialización de la impresión 3D para materiales de carburo cementado va a la zaga de otros materiales.

?Qué es el carburo cementado?

El carburo es un material compuesto, generalmente obtenido mediante sinterización con métodos como la pulvimetalurgia, incluidos los carburos metálicos refractarios (carburos de titanio, molibdeno, tungsteno, tantalio, niobio, etc.) y metales aglutinantes (níquel, molibdeno, tungsteno, cobalto, etc.). .). El carburo tiene excelentes propiedades mecánicas, buena resistencia al desgaste, resistencia a la oxidación y estabilidad térmica. Se utiliza ampliamente en aplicaciones de corte y conformado de metales, boquillas de lodos abrasivos, anillos y cojinetes de sello mecánico, perforación petrolera, etc., y se le conoce como los “dientes de la industria”.

Métodos tradicionales de fabricación de carburo cementado.

El carburo generalmente se prepara mediante métodos tradicionales como moldeo por inyección, moldeo por extrusión, prensado con matriz, prensado en caliente, prensado isostático en caliente, sinterización por plasma por chispa, etc. Además, se pueden utilizar métodos de modificación de superficies como pulverización por plasma, pulverización con llama de reacción, gas inerte de tungsteno ( TIG), fusión por arco y tratamiento de superficies con láser se han aplicado a la preparación de recubrimientos y materiales de revestimiento de carburo.

Las desventajas de los métodos tradicionales de formación de aleaciones duras.

Actualmente, la tecnología de preparación de carburo todavía enfrenta algunos desafíos técnicos serios, que incluyen:

La preparación de productos de carburo depende completamente de los moldes, que tienen altos costos, ciclos largos y altos costos de procesamiento posterior (que a menudo representan más de 50% del costo), lo que afecta en gran medida el costo de fabricación del carburo cementado.

Muchos productos de carburo de formas complejas no se pueden preparar mediante métodos convencionales y avanzados de pulvimetalurgia, como piezas huecas, orificios internos, ranuras internas, curvaturas de ángulos peque?os y rompevirutas de herramientas de corte, que limitan gravemente el espacio de dise?o estructural de los productos de carburo.

La tecnología tradicional de preparación de carburo no puede lograr la preparación de estructura compuesta funcional multifuncional/variable y carburo cementado de estructura de gradiente, lo que obviamente obstaculiza la expansión del campo de aplicación y el aprovechamiento de las ventajas del carburo.

El método de fabricación aditiva del carburo: sinterización por láser

La fabricación aditiva (AM) es una tecnología disruptiva que puede acumular materiales capa por capa basándose en archivos CAD dise?ados para formar piezas de formas complejas. La tecnología AM puede lograr fácilmente la producción de piezas de formas complejas y se espera que reduzca el costo de producción del carburo. Por ello, la fabricación aditiva de carburo se valora cada vez más.

Los principales medios técnicos incluyen la fusión en lecho de polvo (PBF), como la fusión selectiva por láser (SLM) y la fabricación aditiva por haz de electrones (EBM), y la deposición de energía dirigida (DED), como la conformación de redes con ingeniería láser (LENS) y el aditivo de arco de alambre. Manufactura (WAAM).

Debido al alto punto de fusión del carburo, el uso de tecnología de fabricación aditiva todavía plantea grandes desafíos. Actualmente, las tecnologías de fabricación aditiva que se han utilizado para el carburo incluyen principalmente: fusión selectiva por láser (SLM), sinterización selectiva por láser (SLS), conformación de red con ingeniería láser (LENS), impresión 3D con Binder Jetting (3DP) e impresión 3D en gel ( 3DGP).

Ventajas de la impresión láser 3D en AM

La tecnología de fabricación aditiva puede producir con éxito piezas de carburo cementado con buenas propiedades mecánicas y una densidad cercana a la teórica, pero también plantea muchos problemas. Las grietas, los poros y la rugosidad de la superficie son defectos de calidad inevitables en la fabricación aditiva de carburo cementado, y la microestructura única formada por el proceso repetido de calentamiento y enfriamiento de la fabricación aditiva también afecta el rendimiento de la pieza. Los métodos de posprocesamiento, como el prensado isostático en caliente y el tratamiento térmico, generarán tiempo y costos adicionales, lo que obstaculizará el desarrollo de la fabricación aditiva de carburo cementado.

Principales tipos de impresión láser 3D para carburo cementado.

Tecnología SLS y tecnología de formación de LENS

La sinterización selectiva por láser (SLS) es una de las tecnologías de creación rápida de prototipos (RP), que incluye la sinterización por láser indirecta (EMLS) y la sinterización por láser directa (DMLS). Puede fabricar directamente piezas tridimensionales (3D) de cualquier forma utilizando polvo metálico y es adecuado para la fabricación de lotes peque?os de carburos cementados. La tecnología de conformado SLS para carburos cementados a menudo requiere un procesamiento posterior, como la infiltración de elementos, para mejorar el rendimiento integral. Agregar óxidos de tierras raras como sitios de nucleación puede refinar el tama?o del grano y mejorar la densidad relativa y la microdureza de las piezas.

Mientras que el aumento de la densidad de potencia del láser y la velocidad de alimentación del polvo en la tecnología de conformado de LENS de aleación dura puede dar como resultado una mayor altura de la muestra y una mejor calidad de conformado. Las aleaciones preparadas por LENS tienen propiedades mecánicas inconsistentes en la dirección de la altura y exhiben una estructura en capas similar a SLM, y la dirección de construcción afecta la microestructura.

 

Tecnología de formación de impresión láser 3D

La tecnología de conformado 3DP del carburo cementado opera a una temperatura más baja, evitando la evaporación del elemento y dando como resultado una microestructura uniforme y una mejor resistencia al desgaste. Utilizando un metal aglutinante como níquel, molibdeno, tungsteno o cobalto, y su posterior infiltración, se pueden obtener piezas comparables al carburo cementado tradicional. La tecnología de conformado 3DGP de carburo cementado generalmente no tiene grietas evidentes ni defectos por huecos, y tiene una microestructura distribuida uniformemente y excelentes propiedades mecánicas.

Tecnología de fusión selectiva por láser (SLM)

La tecnología de fusión por láser selectiva utiliza láseres de alta energía para fundir completamente el polvo metálico, que luego se solidifica rápidamente mediante un enfriamiento rápido para formar la forma deseada. En comparación con la impresión SLM de materiales metálicos, la impresión SLM de carburos cementados es mucho más difícil y el mecanismo de densificación es más complejo. La razón principal de esto es que durante el proceso de impresión SLM, solo la fase aglutinante Co puede fundirse, mientras que la fase cerámica WC tiene un punto de fusión muy alto (superior a 2700 ℃) y no se funde durante el proceso de impresión, lo que dificulta seriamente El proceso de densificación de carburos cementados.

 

La tecnología de impresión láser selectiva del carburo cementado es propensa a grietas y defectos por huecos, lo que se puede evitar aumentando adecuadamente el contenido de Co en la aleación WC-Co para evitar la generación de fases frágiles y reducir la sensibilidad a las grietas. La microestructura de la aleación se puede controlar mediante el proceso. En función de estas características, se pueden obtener diferentes microestructuras ajustando la densidad de energía. Para el carburo, una alta densidad de energía produce una microestructura frágil con peque?os granos de WC y un bajo contenido de Co, mientras que una baja densidad de energía produce una microestructura resistente con grandes granos de WC y un alto contenido de Co. Controlar la microestructura a través del proceso es un medio importante para la preparación de piezas SLM, pero aún faltan más investigaciones.

El futuro de la fabricación aditiva de carburos

Actualmente, la impresión láser selectiva tiene dificultades para producir piezas de carburo cementado con una densidad casi teórica, y se necesita más investigación para estudiar la relación entre el proceso, la calidad de la pieza y la microestructura. En comparación con SLM, 3DP y 3DGP pueden producir piezas con mejor rendimiento y microestructura más uniforme, pero con menor precisión dimensional y procesos más complejos, se debe considerar la mejora del proceso o el posprocesamiento correspondiente. Una de las principales aplicaciones de la fabricación aditiva de carburos cementados es la producción de herramientas de corte y moldes. Por lo tanto, se debe estudiar más a fondo la durabilidad del corte, el comportamiento de fractura y el mecanismo de desgaste de las piezas correspondientes. Para ampliar la aplicabilidad de la fabricación aditiva de piezas de carburo cementado, las investigaciones futuras deberían combinar procesos tradicionales como el prensado isostático en caliente para mejorar aún más el rendimiento general de las piezas y cumplir con los requisitos de la fabricación de piezas complejas.