ES2903275T3

ES2903275T3 - Método de construcción capa por capa de una pieza metálica

Info

Publication number: ES2903275T3
Application number: ES16862914T
Authority: ES
Inventors: Charles D Tuffile; Harald Lemke; Patrick E Mack
Original assignee: Nanosteel Co Inc
Current assignee: Nanosteel Co Inc
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2036-11-02
Also published as: CN108431266A; KR102409141B1; EP3371337B1; CA3003905A1; IL259081A; CA3003905C; JP2019500491A; ZA201803670B; US20170121798A1; SG11201803644RA; JP6873987B2; EP3371337A1; KR20180075639A; AU2016349913B2; US10851445B2; WO2017079351A1; EP3371337A4; AU2016349913A1

Abstract

Un método de construcción capa por capa de una pieza metálica que comprende: suministrar partículas de una aleación, en donde la aleación consiste en una de las siguientes composiciones (a) o (b): (a) Fe de 54,5 a 69,5 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 16,5 a 20,5 % en peso; Mn de 1,0 a 2,5 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; Ni de 10,5 a 14,0 % en peso; e impurezas inevitables; (b) Fe de 55,5 a 75,2 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 17,0 a 22,0 % en peso; Mn de 0,3 a 3,0 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; y Ni de 5,0 a 10,0 % en peso; e impurezas inevitables; suministrar un sustrato; aplicar una o más capas de dicha aleación sobre dicho sustrato mediante la fusión de dichas partículas en un estado fundido para formar una aleación fundida y enfriar dicha aleación fundida a una velocidad de 103 a 108 K/s para formar una capa solidificada de dichos elementos en donde cada una de dichas capas sólidas tiene un espesor formado de 3,0 a 200,0 micrómetros, en donde la capa solidificada después del enfriamiento incluye dichos elementos que definen una fase de austenita dendrítica primaria y un nivel inicial de fases de boruro laminar interdendrítico con un ancho de laminilla de menos de 0,1 micrómetros; tratar térmicamente dicha aleación a una temperatura en el intervalo de 800 a 1200 °C durante un período de tiempo de 30-1000 minutos para consolidar y hacer crecer dichas fases de boruro por difusión de dichos elementos desde dicha fase primaria en fases de boruro esferoidizadas que varían en diámetro desde aproximadamente 0,2 micrómetros a 5 micrómetros; y retirar opcionalmente dicho sustrato para formar una pieza metálica independiente; en donde dichas una o más capas sólidas indican una resistencia a la abrasión medida por ASTM G65-04 (2010) Procedimiento A de menos de o igual a 175 mm3.

Description

DESCRIPCIÓN

Método de construcción capa por capa de una pieza metálica

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional de EE. UU. con n.° de serie 62/249,642 presentada el 2 de noviembre de 2015.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método de conducción capa por capa de una pieza metálica.

Antecedentes

Los metales ferrosos se usan como recubrimientos en muchas aplicaciones, tales como las bandas de metal duro de tuberías de perforación, los protectores de la caja de los camiones de minería y los tubos de calderas, donde los recubrimientos proporcionan resistencia al desgaste y la abrasión a componentes relativamente menos resistentes al desgaste. Estos recubrimientos resistentes al desgaste son compuestos de metal o de matriz metálica, y pueden aplicarse a sustratos mediante diversas técnicas, tales como HVOF o pulverización térmica de arco de dos hilos, y superposición de soldadura PTAW o GMAW.

Los recubrimientos de metales ferrosos resistentes al desgaste se caracterizan generalmente por un coste relativamente bajo y una dureza superficial relativamente alta que permite la resistencia al desgaste de los materiales y protege el sustrato subyacente. Los materiales usados como recubrimientos resistentes al desgaste se diseñaron para adherirse a un sustrato y proporcionar el rendimiento de superficie deseado y, como tales, dependen en gran medida del sustrato para las propiedades no superficiales, tales como resistencia y tenacidad. Ejemplos de recubrimientos de metales ferrosos usados para resistencia al desgaste incluyen carburos de cromo, carburos complejos, carburos de titanio, carburos de vanadio y aceros para herramientas. Cuando el espesor de los recubrimientos aumenta más allá de un espesor crítico, típicamente se agrietan debido a la baja tenacidad del material de recubrimiento y al efecto decreciente que tiene el sustrato sobre la tenacidad del sistema de sustrato/material de recubrimiento. Este agrietamiento limita gravemente la capacidad de usar los materiales de recubrimiento en la construcción capa por capa de piezas independientes.

La construcción por capas puede entenderse en el presente documento como un proceso en el que las capas de un material se construyen, o se colocan, capa por capa para fabricar no un recubrimiento, sino un componente independiente. La construcción por capas se conoce comúnmente como fabricación aditiva o impresión 3D. Los ejemplos de construcción por capas incluyen fusión en lecho de polvo con una fuente de energía láser (PBF-L) o haz de electrones (PBF-E), deposición de energía dirigida (DED), inyección de aglutinante (BJ), laminación de láminas, extrusión de material, inyección de material y fotopolimerización en tina. Los procesos de construcción por capas primarios que se usan con metal incluyen PBF-L, PBF-E, DED y BJ.

Los procesos de construcción por capas tienen una excelente capacidad para construir componentes enteros independientes en lugar de recubrimientos desde una variedad de metales dúctiles, incluidas aleaciones de acero inoxidable, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, aleaciones a base de níquel y aleaciones de cobalto cromo. En los procesos de construcción por capas en fase líquida para metales tales como PBF-L, PBF-E y DED, el material de construcción transita desde una fase sólida a una fase líquida (fusión) y luego vuelve a una fase sólida (solidificación). La fuente de energía usada para la fusión puede enfocarse a un área relativamente pequeña de la superficie del material a fundir y, como tal, puede controlar el volumen de material que se funde a un volumen relativamente pequeño. El pequeño volumen fundido, al estar en contacto con un gran volumen sólido, tiene la capacidad de solidificarse de una manera relativamente rápida. Esta rápida solidificación es responsable del refinamiento del tamaño de grano, la sobresaturación y un ajuste o aumento de las propiedades mecánicas en comparación con las propiedades del metal forjado.

Si bien las propiedades mecánicas de los componentes construidos de esta manera son generalmente iguales o superiores a las de los procesos forjados, ninguno de los materiales antes mencionados posee la combinación de resistencia al desgaste y tenacidad relativamente altas, y aquellos con la resistencia al desgaste más alta generalmente requieren procesos de tratamiento térmico agresivos tales como templado y revenido, o solución y envejecimiento, para producir una resistencia al desgaste relativamente alta. Dicho tratamiento térmico agresivo típicamente da como resultado una mayor pérdida de rendimiento y distorsión de la pieza, que no es deseable. G.-M. Zhao, K.-L. Wang, Surface and Coatings Technology, Volumen 190, Números 2-3, 21 de enero de 2005, páginas 249-254, XP004653605 divulga polvos de aleación a base de ferrita con diferentes contenidos de La2O3 que se revistieron con láser sobre sustratos de acero AISI 1115.

Fu Han-guang y otros, Materials & Design, Volumen 30, Número 3, marzo de 2009, páginas 885-891, XP025761706 divulga aceros inoxidables austeníticos que contienen 1,5-2,5 % en peso de B.

Se desea una alta resistencia al desgaste y tenacidad en los componentes para numerosas aplicaciones para aumentar la durabilidad (longevidad) de los componentes en servicio, tales como bombas, válvulas, cojinetes de moldes, filtros y pantallas. La presente invención ahora identifica aleaciones en los correspondientes procedimientos de fabricación que proporcionan un material metálico en capas, preparado mediante una acumulación capa por capa, que proporciona una combinación única de resistencia al desgaste y tenacidad relativamente altas. Además, las propiedades en el presente documento no requieren templado y/o revenido, sino más bien un tratamiento térmico de baja distorsión, independiente de la velocidad de calentamiento y enfriamiento.

Resumen

La construcción capa por capa se aplica a las aleaciones para producir un material independiente con una resistencia al desgaste y una tenacidad relativamente altas. Las aleaciones comprenden al menos 50,0 % en peso de Fe junto con B, Cr, Si y Ni, y opcionalmente, C y Mn. Las piezas construidas capa por capa con las aleaciones tienen un nivel inicial de fases de boruro. La construcción capa por capa permite la formación de componentes metálicos que pueden utilizarse en aplicaciones tales como bombas, piezas de bombas, válvulas, moldes, cojinetes, herramientas de corte, filtros o pantallas.

El método puede comprender más específicamente la construcción capa por capa de una pieza metálica que comprende suministrar una aleación en forma de partículas que comprende los siguientes elementos: al menos 50,0 % en peso de Fe, en combinación con B, Cr, Si y Ni, y opcionalmente C y/o Mn y suministrar un sustrato. Luego, pueden aplicarse una o más capas de la aleación sobre el sustrato mediante la fusión de la aleación en un estado fundido y mediante el enfriamiento y formación de una capa solidificada en donde cada una de las capas sólidas tiene un espesor formado de 5,0 a 200,0 micrómetros. Esto luego es seguido por un tratamiento térmico de la aleación y, opcionalmente, la eliminación del sustrato para formar una pieza metálica independiente en donde una o más capas sólidas indican una resistencia a la abrasión medida por ASTM G65-04 (2010) Procedimiento A de menos de o igual a 175 mm3. Además, la capa solidificada después del enfriamiento incluye los elementos identificados que definen una fase de austenita dendrítica primaria y un nivel inicial de fases de boruro laminar interdendrítico relativamente pequeñas con un ancho de laminilla de menos de 0,1 micrómetro, y al calentarse, las fases de boruro laminar interdendrítico se consolidan y crecen incluso por difusión de elementos desde la fase primaria en fases de boruro esferoidizadas (forma esférica) relativamente pequeñas cuyo intervalo de diámetro es desde aproximadamente 0,2 micrómetros a 5 micrómetros.

La presente divulgación también se refiere a una aleación en forma de capa que comprende los siguientes elementos: Fe a un nivel de 50,0 a 76,0 % en peso, B de 0,5 a 3,0 % en peso, Cr de 15,0 a 22,0 % en peso, Si de 2,0 a 5,0 % en peso, y Ni de 5,0 a 15,0 % en peso, que contiene opcionalmente Mn de 0,3 a 3,0 % en peso y C a un nivel de hasta 0,5 % en peso. La aleación incluye inicialmente una fase de austenita dendrítica primaria y fases de boruro laminar interdendrítico relativamente pequeñas con un ancho de laminilla de menos de 0,1 micrómetros. La aleación luego incluye además fases de boruro esferoidizadas secundarias, cuyo intervalo de diámetro es desde aproximadamente 0,2 micrómetros a 5 micrómetros, crecidas desde las fases de boruro relativamente pequeñas inicialmente presentes en la capa donde luego la aleación indica una resistencia a la abrasión medida por ASTM G65-04 (2010) Procedimiento A de menos de o igual a 175 mm3.

Breve descripción de las figuras

Las características mencionadas más arriba y otras características de esta divulgación, y la manera de lograrlas, se harán más evidentes y se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción de las modalidades descritas en el presente documento junto con las figuras adjuntas, en donde:

La Figura 1 es una micrografía de sección transversal SEM de una partícula de polvo de aleación ferrosa A5.

La Figura 2 es una micrografía de sección transversal SEM de una partícula de polvo de aleación ferrosa A6.

La Figura 3 es una micrografía SEM de una aleación ferrosa A5 procesada mediante PBF-L en una condición tal como se construyó.

La Figura 4 es una micrografía SEM de una aleación ferrosa A6 procesada mediante PBF-L en una condición tal como se construyó.

La Figura 5 consiste en una imagen SEM y espectros EDS de la aleación A5 procesada mediante PBF-L en una condición tal como se construyó.

La Figura 6 consiste en una imagen SEM y un mapa elemental EDS de la aleación A5 producida mediante PBF-L en una condición tal como se construyó que muestra los elementos primarios Fe, Ni, Si, B, Cr, O y Mn contenidos dentro de las diversas fases.

La Figura 7 consiste en una imagen SEM y un mapa elemental EDS de la aleación A6 producida mediante PBF-L en una condición tal como se construyó que muestra los elementos primarios Fe, Ni, Si, B, Cr, O y Mn contenidos dentro de las diversas fases.

La Figura 8 es una micrografía SEM de la aleación ferrosa A5 procesada mediante PBF-L y luego tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h.

La Figura 9 es una micrografía SEM de la aleación ferrosa A6 procesada mediante PBF-L y luego tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h.

La Figura 10 consiste en una imagen SEM y espectros EDS de la aleación A5 procesada mediante PBF-L y luego tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h.

La Figura 11 consiste en una imagen SEM y espectros EDS de la aleación A6 procesada mediante PBF-L y luego tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h.

La Figura 12 consiste en una imagen SEM y un mapa elemental EDS de la aleación A5 producida mediante PBF-L y luego tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h que muestra los elementos primarios Fe, Ni, Si, B, Cr, O y Mn contenidos dentro de las diversas fases.

La Figura 13 consiste en una imagen SEM y un mapa elemental EDS de la aleación A6 producida mediante PBF-L y luego tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h que muestra los elementos primarios Fe, Ni, Si, B, Cr, O y Mn contenidos dentro de las diversas fases.

La Figura 14 muestra micrografías de la aleación A6 procesada mediante PBF-L en las condiciones (a) tal como se construyó, (b) tratado térmicamente a 1100 °C durante 3 h y (c) tratado térmicamente a 1100 °C durante 8 h.

Descripción detallada

La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas. Esta divulgación se refiere a un método de construcción de materiales metálicos a base de hierro, dúctiles y/o tenaces, independientes y relativamente resistentes al desgaste, para proporcionar una estructura metálica construida, mediante una acumulación capa por capa de capas metálicas sucesivas sobre un sustrato inicial. La acumulación capa por capa hace referencia al procedimiento general de fundir aleaciones metálicas y enfriar y solidificar para formar una capa de material, que se convierte en una capa sólida subyacente para la aplicación posterior de una capa adicional de aleación fundida, seguida de nuevo por enfriamiento. El sustrato puede estar incluido o no en la estructura construida que se forma mediante el procedimiento capa por capa. Por lo tanto, la referencia a un material metálico independiente debe entenderse en el presente documento como aquella situación en la que la acumulación capa por capa, sobre un sustrato, se emplea para formar una estructura construida determinada, cuya estructura puede luego servir como componente de una pieza metálica en una variedad de aplicaciones.

Los sustratos adecuados para iniciar la acumulación capa por capa pueden incluir aceros austeníticos, ferríticos y martentísicos y pueden tener espesores en el intervalo de 3 mm-100 mm. Como se señaló, los sustratos típicamente no se incluyen como pieza de la estructura final y, después de construir la estructura, el sustrato y la estructura pueden separarse mediante una variedad de técnicas que incluyen el mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y el aserrado mecánico.

El procedimiento capa por capa en el presente documento contempla una acumulación de capas individuales, cada una de las cuales tiene un espesor en el intervalo de 3,0 micrómetros a 200,0 micrómetros. El procedimiento capa por capa puede luego proporcionar una acumulación con un espesor total en el intervalo de 3 micrómetros a más de 50.0 mm, y más típicamente más de 250,0 mm. En consecuencia, el intervalo de espesor adecuado para las capas construidas es de 3,0 micrómetros y superior. Sin embargo, más comúnmente, los intervalos de espesor son desde 3.0 micrómetros a 250,0 mm.

En la construcción por capas usada en el presente documento, preferentemente, se escanea una fuente de energía, típicamente un láser o un haz de electrones, sobre la superficie de un material lo que provoca la fusión al menos parcial de una capa de material local en el área irradiada por la fuente de energía. Si se desea, la fuente de energía puede ajustarse para que también funda una cierta profundidad del material subyacente. Por ejemplo, la fuente de energía puede ajustarse para que se funda a una profundidad en el intervalo de hasta 250 micrómetros. El material fundido se une metalúrgicamente con el material subyacente y se solidifica rápidamente a medida que la fuente de energía se aleja. Se añade material adicional al material solidificado y luego se irradia con la fuente de energía para provocar la fusión y solidificación. A medida que se repite este proceso, aumenta el espesor de la pieza que se construye.

Las aleaciones para la construcción capa por capa en el presente documento se suministran en forma de partículas, lo que significa que las partículas están presentes con un diámetro en el intervalo de 1,0 micrómetro a 200,0 micrómetros, con mayor preferencia desde 15,0 micrómetros a 70,0 micrómetros, y con máxima preferencia desde 20.0 micrómetros a 45,0 micrómetros.

La aleación A5 y la aleación A6 se divulgan en el presente documento, de acuerdo con el método de la invención. La aleación A5 tiene la siguiente composición: Fe de 55,5 a 71,5 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 15,0 a 20.0 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; Ni de 11,0 a 15,0 % en peso. La aleación A6 tiene la siguiente composición: Fe de 55,5 a 75,2 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 17,0 a 22,0 % en peso; Mn de 0,3 a 3,0 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; y Ni de 5,0 a 10,0 % en peso. La aleación A7 de acuerdo con el método de la invención tiene la siguiente composición: Fe de 54,5 a 69,5 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 16,5 a 20,5 % en peso; Mn de 1,0 a 2,5 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; y Ni de 10,5 a 14,0 % en peso.

La aleación que se divulga en el presente documento contiene al menos 50,0 % en peso de Fe, en combinación con B, Cr, Si y Ni, donde C y Mn son opcionales. Se divulga que el Fe está presente en un nivel de 50,0 a 76,0 % en peso, el B está presente de 0,5 a 3,0 % en peso, el Cr está presente 15,0 a 22,0 % en peso, el Si está presente de 2.0 a 5,0 % en peso y el Ni está presente de 5,0 a 15,0 % en peso. Tanto C como Mn son opcionales en esta divulgación, donde el C puede estar presente en niveles de 0,0 a 0,5 % en peso y el Mn, si está presente, está presente a niveles de 0,3 a 3,0 % en peso.

Las aleaciones a base de hierro en el presente documento son tales que cuando se forman en la fase líquida a temperaturas elevadas y se dejan enfriar y solidificar rápidamente, la estructura contiene dendritas austeníticas en solución sólida sobresaturada que contiene un nivel inicial de fases de boruro secundarias distribuidas en las regiones interdendríticas que se forman in situ (es decir, durante el proceso de enfriamiento). Las velocidades de enfriamiento están

en el intervalo de 103 a 108 K/s. Con mayor preferencia, las velocidades de enfriamiento pueden estar en el intervalo de 104 a 107 K/s, e incluso con mayor preferencia, en el intervalo de 104 a 105 K/s.

Las Figuras 1 y 2 muestran imágenes SEM de las microestructuras de polvo en, por ejemplo, aleaciones ferrosas A5 y A6, respectivamente. La fase oscura laminar interdendrítica de escala nanométrica es una fase de boruro M²B secundaria inicial, rodeada por la fase de matriz de dendrita austenítica de acero primario, donde M representa una mezcla de Fe y Cr.

Vale la pena señalar que las aleaciones ferrosas más arriba inicialmente tienen una resistencia al desgaste relativamente baja, donde las aleaciones A5, A6 y A7 midieron 466 mm3, 391 mm3 y 412 mm3, respectivamente, en pérdida de volumen cuando se probaron en la prueba de resistencia a la abrasión ASTM G65- 04 (2010) Procedimiento A. Como se analiza en el presente documento, al desencadenar el crecimiento de las fases de boruro secundarias en el procedimiento capa por capa, ahora se proporcionan inesperadamente propiedades de resistencia al desgaste notablemente mejoradas.

Las Figuras 3 y 4 muestran micrografías SEM representativas de las aleaciones ferrosas A5 y A6, respectivamente, después del procesamiento mediante PBF-L. Las fases de boruro M²B interdendrítico secundarias oscuras son aproximadamente del mismo tamaño y morfología que se observan en las partículas de polvo rápidamente solidificadas de la misma aleación. Los tamaños de fase pueden determinarse mediante microscopía óptica y/o microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopía de dispersión de energía (EDS).

La Figura 5 muestra una imagen SEM y espectros EDS de la aleación A5 procesada con PBF-L tomados desde dos ubicaciones diferentes definidas en la imagen SEM como Espectro 1 (fase oscura) y Espectro 2 (fase clara). Los espectros EDS en el Espectro 1 muestran una rodilla en el pico de boro que indica la presencia de boro en la fase oscura. La "rodilla" de boro no está presente en los espectros de EDS para Espectro 2, lo que indica que hay menos boro en la fase de luz.

Cada una de las Figuras 6 y 7 muestra una (a) imagen SEM y un mapa elemental de la aleación A5 y A6, respectivamente, producidos mediante PBF-L que muestra el porcentaje relativo de los elementos primarios (b) hierro, (c) níquel, (d) silicio, (e) boro, (f) cromo, (g) oxígeno, y (h) Mn, contenidos dentro de las diversas fases, cuando corresponda. El mapa elemental se generó con espectroscopía de dispersión de energía en un SEM de emisión de campo Jeol JSM-7001F y un sistema Oxford Inca EDS con un voltaje de aceleración de 4 keV, corriente de sonda de 14 pA y tiempo de vida de 240 s. El mapa elemental representa cualitativamente el porcentaje superior de elementos presentes en cada fase por el brillo del píxel, donde el valor de la escala de grises para un píxel dado en el mapa digital corresponde al número de rayos X que ingresan al detector de rayos X para mostrar la distribución de los elementos. El mapa elemental muestra una distribución homogénea de los elementos con segregación de fase baja o nula, lo que indica que los elementos están sobresaturados en la estructura reticular de la pieza construida capa por capa que solidifica rápidamente o son demasiado pequeños para resolver con EDS. Una estructura sobresaturada es una estructura metaestable donde los átomos elementales dentro de la estructura reticular metálica exceden la cantidad que la rejilla puede contener en condiciones normales de equilibrio.

Las estructuras sobresaturadas pueden estar en un alto estado de tensión y, por lo tanto, tienen una tenacidad limitada. La escala fina (<1 micrómetro) de las fases de boruro secundarias distribuidas relativamente duras producidas en el proceso de construcción capa por capa se contempla para permitir la construcción libre de grietas de componentes en materiales con baja o alta tenacidad, debido al área relativamente pequeña que afectan las fases. Las grandes fases secundarias producidas durante la construcción pueden dar lugar a una alta concentración de tensión alrededor de las fases secundarias debido al desajuste de las propiedades del material en un área grande. Cuando el material que rodea las fases secundarias tiene una tenacidad limitada, la alta tensión desde las fases secundarias puede dar lugar al agrietamiento de los componentes durante o después de la construcción. Por tanto, se contempla que se evite el agrietamiento en las aleaciones ferrosas de la presente invención al mantener fases de boruro interdendrítico secundarias relativamente pequeñas, con enfriamiento rápido, en el proceso de construcción capa por capa.

Las fases de boruro secundarias relativamente pequeñas son relativamente ineficaces para proporcionar una resistencia y tenacidad a la abrasión relativamente altas en compuestos de matriz metálica. La estructura compuesta de matriz metálica construida capa por capa puede convertirse preferentemente en una estructura resistente y tenaz a la abrasión relativamente alta mediante un tratamiento térmico de una sola etapa de alta temperatura, independiente de la velocidad de enfriamiento y calentamiento. Durante dicho tratamiento térmico, las fases de boruro secundarias relativamente duras se consolidan y crecen por difusión. Algunos de los elementos que componen las fases de boruro secundarias difunden desde la fase primaria sobresaturada, lo que agota la fase primaria de dichos elementos. El agotamiento de los elementos desde la fase primaria crea una fase primaria más delgada, más dúctil y tenaz y, por lo tanto, un compuesto más dúctil y tenaz.

Preferentemente, con respecto a las aleaciones en el presente documento en forma de capa, el tratamiento térmico referido más arriba puede por lo tanto crecer y formar una fase de boruro enriquecida que contiene preferentemente Fe-Cr-B que contribuye a la resistencia al desgaste reducida de la estructura en capas y otra fase enriquecida de Fe-Ni-Si que contribuye a la ductilidad.

El tratamiento térmico para desencadenar el crecimiento de fase dual referido más arriba está en el intervalo de temperatura de 800-1200 °C para tiempos de 30-1000 min, donde el tiempo es la cantidad de tiempo que todo el volumen de la pieza está a la temperatura de tratamiento térmico definida. El tratamiento térmico puede realizarse en aire, pero para reducir la oxidación de la superficie, la atmósfera del horno puede ser vacío, gas inerte (por ejemplo, argón, helio y nitrógeno), un gas reductor (por ejemplo, hidrógeno) o una mezcla de gases inertes y reductores. Las Figuras 8 y 9 muestran imágenes SEM de la aleación A5 y A6, respectivamente, producidas mediante PBF-L después de un tratamiento térmico durante 8 h a 1100 °C. Las fases de boruro secundarias oscuras se han transformado claramente en una estructura esferoidizada y han crecido desde la forma y el tamaño inicial, como se observa en las Figuras 3 y 4.

Las Figuras 10 y 11 muestran micrografías SEM y los espectros EDS de las aleaciones A5 y A6 procesadas con PBF-L, respectivamente, después de un tratamiento térmico durante 8 h a 1100 °C. Los espectros EDS de las Figuras 10 y 11 muestran picos de boro muy bien definidos en la fase oscura del Espectro 1 y ningún pico de boro en la fase clara del Espectro 2.

Las Figuras 12 y 13 muestran (a) imágenes SEM y mapas elementales de las aleaciones A5 y A6 procesadas con PBF-L, respectivamente, tratadas térmicamente a 1100 °C durante 8 h, para los elementos primarios (b) hierro, (c) níquel, (d) silicio, (e) boro, (f) cromo, (g) oxígeno y (h) Mn, contenidos dentro de las diversas fases cuando corresponda. El mapa elemental se generó con espectroscopía de dispersión de energía en un SEM de emisión de campo Jeol JSM-7001F y un sistema Oxford Inca EDS con un voltaje de aceleración de 4 keV, corriente de sonda de 14 |jA y tiempo de vida de 240 s. El mapa muestra que las fases secundarias están en gran parte enriquecidas en boro, cromo y oxígeno, y la fase de la matriz primaria está enriquecida en Fe, Ni, Si y Mn. Al comparar los mapas elementales de las aleaciones pretratadas térmicamente en la Figura 6 y la Figura 7 con los mapas de las aleaciones después del tratamiento térmico las Figuras 12 y 13, se observa que los elementos que componen las fases de boruro secundarias están agotados desde la fase matriz y han enriquecido las fases secundarias.

La Figura 14 muestra micrografías de la aleación A6 procesada mediante PBF-L en las condiciones (a) tal como se construyó, (b) tratada térmicamente a 1100 °C durante 3 h y (c) tratada térmicamente a 1100 °C durante 8 h. Las fases de boruro crecen claramente con el aumento del tiempo a alta temperatura, lo que indica que el crecimiento es mediante difusión.

La Tabla 1 muestra los valores de elongación por tracción, tenacidad al impacto y resistencia a la abrasión para las aleaciones procesadas con PBF-L A5, A6 y A7 en condiciones tal como se construyó y tratadas térmicamente (1100 °C durante 8 h). La elongación por tracción y la tenacidad al impacto son medidas de tenacidad del material. Las muestras de tracción se midieron según ASTM E8-13a, la tenacidad al impacto sin muescas se midió según ASTM E23-12c (2012) y la resistencia al desgaste (pérdida de volumen) se midió mediante ASTM G65-04 (2010) Procedimiento A. Puede observarse que el tratamiento térmico aumenta la elongación por tracción, la tenacidad al impacto y la resistencia a la abrasión. El tratamiento térmico de los materiales construidos capa por capa ha aumentado la resistencia a la abrasión en un factor de 2,8 en la aleación A5, en un factor de 3,6 en la aleación A6 y en un factor de 2,6 en la aleación A7, y aumentó la elongación en un factor de 2,7 en la aleación A5, por un factor de 34,5 en la aleación A6 y por un factor de 14,7 en la aleación A7.

Tabla 1: Efecto del tratamiento térmico sobre la tenacidad al impacto y las propiedades de resistencia al desgaste de las aleaciones construidas capa por capa de PBF-L de la presente invención (A6 y A7 son de acuerdo con la presente invención)

La Tabla 2 muestra una comparación de las propiedades de elongación por tracción, tenacidad al impacto y resistencia a la abrasión de aleaciones PBF-L tratadas térmicamente de ejemplos ilustrativos de aleaciones de la presente invención y aleaciones convencionales usadas en PBF-L. La elongación por tracción se midió según ASTM E8-13a, la tenacidad al impacto se midió según ASTM E23-12c (2012) y la resistencia a la abrasión se midió según ASTM G65-04 (2010) Procedimiento A. Se usaron muestras de tenacidad al impacto sin muescas en las mediciones excepto donde se indique lo contrario.

Tabla 2: Propiedades de tenacidad al impacto y resistencia al desgaste de las aleaciones construidas capa por capa de PBF-L de la presente invención (A6 y A7 son de acuerdo con la presente invención) y aleaciones convencionales

Si bien se ha descrito una modalidad preferida de la presente divulgación, debe entenderse que pueden realizarse diversos cambios, adaptaciones y modificaciones sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas. El alcance de la protección está definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Un método de construcción capa por capa de una pieza metálica que comprende:

suministrar partículas de una aleación, en donde la aleación consiste en una de las siguientes composiciones (a) o (b):

(a) Fe de 54,5 a 69,5 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 16,5 a 20,5 % en peso; Mn de 1,0 a 2,5 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; Ni de 10,5 a 14,0 % en peso; e impurezas inevitables;

(b) Fe de 55,5 a 75,2 % en peso; B de 0,5 a 3,0 % en peso; Cr de 17,0 a 22,0 % en peso; Mn de 0,3 a 3,0 % en peso; Si de 2,0 a 5,0 % en peso; C de 0,0 a 0,5 % en peso; y Ni de 5,0 a 10,0 % en peso; e impurezas inevitables;

suministrar un sustrato;

aplicar una o más capas de dicha aleación sobre dicho sustrato mediante la fusión de dichas partículas en un estado fundido para formar una aleación fundida y enfriar dicha aleación fundida a una velocidad de 103 a 108 K/s para formar una capa solidificada de dichos elementos en donde cada una de dichas capas sólidas tiene un espesor formado de 3,0 a 200,0 micrómetros, en donde la capa solidificada después del enfriamiento incluye dichos elementos que definen una fase de austenita dendrítica primaria y un nivel inicial de fases de boruro laminar interdendrítico con un ancho de laminilla de menos de 0,1 micrómetros; tratar térmicamente dicha aleación a una temperatura en el intervalo de 800 a 1200 °C durante un período de tiempo de 30-1000 minutos para consolidar y hacer crecer dichas fases de boruro por difusión de dichos elementos desde dicha fase primaria en fases de boruro esferoidizadas que varían en diámetro desde aproximadamente 0,2 micrómetros a 5 micrómetros; y

retirar opcionalmente dicho sustrato para formar una pieza metálica independiente;

en donde dichas una o más capas sólidas indican una resistencia a la abrasión medida por ASTM G65-04 (2010) Procedimiento A de menos de o igual a 175 mm3.
2. El método de la reivindicación 1, en donde dicha aleación consiste en la composición (a).
3. El método de la reivindicación 1, en donde dicha aleación consiste en la composición (b).
4. El método de la reivindicación 1, en donde dicha pieza metálica comprende una bomba o piezas de bomba, válvula, molde, cojinete, herramienta de corte, filtro o pantalla.
5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la fusión de dichas partículas se realiza con un láser o un haz de electrones.
6. El método de la reivindicación 5, en donde la fusión de dichas partículas se realiza con un láser.
7. El método de la reivindicación 5, en donde la fusión de dichas partículas se realiza con un haz de electrones.
8. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde dichas partículas tienen un diámetro de 15.0 micrómetros a 70,0 micrómetros.
9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde dichas partículas tienen un diámetro de 20.0 micrómetros a 45,0 micrómetros.