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LA CONQUISTA DEL COBRE NÍQUEL
Chase Sheeley es ingeniero de investigación de fabricación aditiva en SPEE3D. Realizó un máster en Ciencia e Ingeniería de Materiales con una tesis sobre la fabricación aditiva de acero inoxidable y aporta una valiosa experiencia en la industria aeroespacial y de defensa a su puesto en la empresa.
Cada día en SPEE3D, buscamos ampliar las posibilidades de la fabricación aditiva por pulverización en frío (CSAM).
Y como alguien en primera línea del desarrollo de nuevos materiales -materiales SUBSAFE, más concretamente- puedo hablar de los retos a los que se enfrentan los ingenieros de investigación a la hora de cualificar nuevos metales y aleaciones para la producción.
El níquel de cobre es un ejemplo perfecto.
La Naval Sea Systems Command (NAVSEA) se puso en contacto con SPEE3D para solicitar una aleación de cobre y níquel. Se trataba de un material con el que llevaban trabajando casi 70 años porque ofrece un equilibrio perfecto entre resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión para buques y equipos en el mar.
Al mismo tiempo, sin embargo, las piezas de fundición de cobre y níquel suelen tener un alto índice de desprendimiento, por lo que no pueden crearse en una fundición sin requerir plazos de entrega extremadamente largos.
La fabricación interna de piezas de fundición podría ayudar a la Marina a eliminar esos largos plazos de entrega. Por eso, CSAM era la solución ideal.
Pero crear la aleación no fue tarea fácil.
Para entender por qué, hay que saber un poco cómo se utiliza el aditivo de pulverización en frío para crear piezas metálicas en primer lugar.
En un proceso típico de pulverización en frío, la materia prima en polvo se carga en una impresora SPEE3D y se pulveriza a velocidades supersónicas sobre un sustrato. A continuación, la pieza impresa debe calentarse en un horno -o sinterizarse- para crear la aleación deseada.
En algunos casos, se utiliza una prensa isostática en caliente (HIP) para añadir presión al proceso con gas, aplicando uniformemente 30.000 psi de fuerza a la pieza, lo que supera la cantidad de presión que cabría esperar encontrar en el fondo del mar más profundo.
Esto nos permite cerrar los poros del metal calentado, aplastando potencialmente los óxidos que amenazan la ductilidad, el rendimiento y la fiabilidad de un material.
Una vez tratada térmicamente, la pieza debe enfriarse. Dos métodos habituales son dejarla en el horno para que se enfríe lentamente o "enfriarla" en agua fría para fijar rápidamente su microestructura.
Pero mientras que la bibliografía es clara sobre cómo imprimir, tratar térmicamente y enfriar materiales de fabricación aditiva habituales, como el acero inoxidable, no tiene mucho que decir sobre el cobre-níquel.
Para crear una fórmula de tratamiento térmico CSAM para él, tendríamos que navegar por un territorio desconocido.
Nuestro primer reto fue la propia materia prima. A diferencia de otros materiales, la materia prima cobre-níquel es una mezcla de elementos puros que se homogeneiza en una aleación final mediante el proceso de tratamiento térmico.
Para encontrar la combinación adecuada de elementos, simplemente teníamos que experimentar, y el éxito de cada experimento no podía determinarse hasta que cada pieza se hubiera sometido a calentamiento y enfriamiento. Esto, naturalmente, llevaba su tiempo.
Fue necesario experimentar más con el orden de las operaciones.
En primer lugar, dejamos la pieza calentada en el horno para que se enfriara lentamente, lo que creó enormes precipitados de endurecimiento en la microestructura e hizo que la pieza fuera demasiado quebradiza.
A continuación, intentamos enfriar la pieza calentada para acelerar el proceso de enfriamiento, pero al hacerlo impedimos que se formaran precipitados de endurecimiento en la microestructura.
Esto hacía que la pieza fuera demasiado dúctil.
Al final, homogeneizando la pieza de cobre y níquel antes de aplicar una prensa isostática en caliente, y regulando después la velocidad de enfriamiento a un grado moderado, pudimos lograr el equilibrio adecuado de resistencia y ductilidad, y crear la microestructura deseada.
Pero nuestro trabajo continúa.
Aunque hemos establecido con éxito la secuencia correcta para la fabricación aditiva de níquel de cobre, seguimos en proceso de aportar pruebas de repetibilidad.
Validar el material conforme a las normas militares, demostrar que puede superar todas las pruebas de validación, establecer una calidad constante docenas de veces seguidas... es un proceso arduo que puede durar entre seis y quince meses.
Es decir, queda mucho por hacer para optimizar el proceso y obtener un material en polvo que pueda sustituir de forma segura y fiable a una pieza fabricada tradicionalmente y utilizada en diversas aplicaciones críticas.
Aunque el níquel cobre ha sido nuestro principal objetivo, exploramos continuamente nuevos horizontes en la ciencia de los materiales para ampliar nuestras capacidades y satisfacer las diversas necesidades de la industria.