Resumen:
Los compuestos y nanocompuestos de matriz metálica, CMM y NCMM, respectivamente,
son materiales que muestran buenas características eléctricas y térmicas, además de
excelentes propiedades mecánicas incluyendo módulo elástico, resistencia al desgaste y
resistencia a la fluencia. Como resultado, estos materiales son ampliamente utilizados en la
industria aeroespacial, automovilística y naval. Los CMM y NCMM pueden ser sintetizados
por procesos in-situ o ex-situ. En los métodos ex-situ, las partículas se sintetizan por separado
antes de fabricar el compuesto, mientras que en el proceso in-situ las nanopartículas se
pueden sintetizar y dispersar de manera homogénea al mismo tiempo en la matriz metálica.
La molienda mecánica de alta energía y la mecanofusión son técnicas efectivas para producir
CMM y NCMM con micro o nanopartículas cerámicas en forma de polvo y en cantidades
relativamente grandes. Estos compuestos pueden manufacturarse y/o funcionalizarse
posteriormente por tecnologías de manufactura avanzada como laser cladding, LC, mediante
la cual es posible consolidar aleaciones en polvo capa por capa utilizando una máquina
multieje, una fuente láser y un software CAD/CAM. Además de depositar varios materiales,
incluidos metales, cerámicos y compuestos de matriz metálica en superficies 2D y 3D, LC
es capaz fabricar piezas funcionales con geometrías complejas y estructuras huecas con
menores costos y tiempos de producción. Sin embargo, la combinación de materiales
compuestos fabricados por molienda o mecanofusión (no disponibles comercialmente) y
depositados por LC se ha investigado escasamente. Por lo tanto, entre los objetivos de esta
investigación están producir el NCMM de Inconel 718 con nanopartículas cerámicas de
Al2O3 (5% en peso) por medio de las tecnologías de molienda mecánica de alta energía
(Simoloyer®) y mecanofusión, depositar el nanocompuesto fabricado por molienda por LC
evaluando la influencia de los parámetros de procesamiento y analizar el efecto de la adición
de las nanopartículas cerámicas en las características y propiedades de los depósitos. Antes
de la molienda mecánica, los polvos puros se mezclaron previamente mediante sonicación
en etanol. Una vez fabricado el NCMM, el polvo se consolidó en forma de cordones mediante
LC. Los parámetros de laser cladding investigados fueron la potencia del láser, la velocidad
de alimentación del polvo, la velocidad de escaneo y el ciclo de trabajo. La influencia de
estas variables se evaluó usando la dilución, porosidad, zona afectada por el calor y relación
ancho-altura como variables de salida. Los resultados muestran que la molienda mecánica de alta energía es un proceso efectivo para producir el nanocompuesto IN718/Al2O3. Después
de 30 h de molienda, las nanopartículas de Al2O3 se encuentran dispersas homogéneamente
en el Inconel 718, además, las partículas del nanocompuesto alcanzan un tamaño, morfología
y composición química uniforme adecuadas para su posterior consolidación por LC. Los
análisis de los cordones depositados por láser muestran que no hay una influencia
representativa de los parámetros de depósito sobre las variables de salida seleccionadas.
Todos los cordones muestran mínima porosidad, baja dilución, zona afectada por el calor y
buena calidad superficial. El efecto de nanopartículas de alúmina en la matriz metálica
(IN718-5%Al2O3) se refleja en el incremento de la dilución y zona afectada por el calor
comparado con el IN718 depositado, al mismo tiempo favorece la formación de dendritas
más gruesas y alargadas dentro del cordón debido a que las nanopartículas concentran el calor
en el depósito debido a su baja conductividad térmica. El uso de altas potencias, velocidades
y flujos másicos permite retener una mayor cantidad de alúmina dentro de los cordones. Sin
embargo, esta combinación sigue causando la segregación de Al, O, Ti y Cr en la superficie
de los cordones.
Descripción:
Metal matrix composites and nanocomposites, MMC and MMNC, respectively, are materials
that exhibit attractive thermal and electrical characteristics, and excellent mechanical
properties including strength, elastic modulus, wear resistance, and creep resistance. As a
result, these materials are widely employed in aerospace, automotive, and nautical industries.
MMC and MMNC can be synthesized via ex-situ or in-situ processes. In the ex-situ methods,
the particles are synthesized separately before the composite is manufactured, whereas in the
in-situ process the nanoparticles can be synthetized and dispersed homogeneously at the same
time in the metallic matrix. High-energy mechanical milling and mechanofusion are effective
techniques for producing MMC/MMNC with ceramic micro- or nanoparticles powder
material in relatively large quantities. These compounds can be manufactured or
functionalized by additive manufacturing techniques such as laser cladding, LC, which can
be used to consolidate powder alloys layer-by-layer using a multi-axis machine, a laser
source, and CAD/CAM software. Moreover, LC has the possibility to deposit several
materials, including metals, ceramics, and metal-matrix composites on 2D and 3D surfaces
and is able to fabricate functional parts with complex geometries and hollow structures with
lower production costs and times. However, mechanical milled MMC/MMNC materials
deposited by LC has been scarcely investigated. Therefore, the aims of this investigation are
to produce the MMNC Inconel 718 with Al2O3 nanoparticles (5 wt.%) via high-energy ball
milling and mechanofusion technologies, to deposit the nanocomposite fabricated by
mechanical milling by LC evaluating the influence of the processing parameters and analyzed
the effect of the ceramic nanoparticles addition on the characteristics and properties of laser
clad single tracks. The nanocomposite was produced using a Simoloyer horizontal ball mill.
Prior to the milling process, the powders were pre-mixed via sonication in ethanol and dried
in oven. Once the MMNC was fabricated, the power material was consolidated by LC in the
form of single tracks. Laser power, powder feed rate, scan speed, and duty cycle were the
parameters investigated. The influence of these parameters was evaluated using the dilution,
porosity, heat affected zone and width-height ratio as response variables. The results show
that high-energy ball milling is an effective process to produce MMNC Inconel 718/Al2O3
powder. After 30 h of milling, the Al2O3 nanoparticles are homogeneously dispersed in the
Inconel 718 powder metal matrix. Also, the nanocomposite particles reached a size, morphology and composition adequate for using the powder as raw material in different
manufacturing techniques such as laser cladding. The analysis of the single tracks deposited
by laser show that irrespective of the deposition parameters all tracks show minimal porosity,
low dilution, heat affected zone, and good surface quality. The presence of Al2O3
nanoparticles in the IN718 matrix increases dilution and heat affected zone and promotes the
formation of thicker and elongated dendrites inside the deposits because the ceramic
nanoparticles concentrate the heat due to its low thermal conductivity. The use of high laser
powers, scan speeds and feed rates allows to retain a greater amount of alumina within the
deposits. However, this parameters combination continuous to cause Al, O, Ti and Cr
segregation on the surface of the single tracks.