ES2975493T3

ES2975493T3 - Proceso para fabricar una pieza de aleación de aluminio

Info

Publication number: ES2975493T3
Application number: ES20821332T
Authority: ES
Inventors: Bechir Chehab; Jochen Altenberend; Ravi Shahani
Original assignee: C Tec Constellium Technology Center SAS
Current assignee: C Tec Constellium Technology Center SAS
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2024-07-08
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: EP4061563B1; US12534782B2; FR3103123A1; CN114728340B; FR3103123B1; WO2021099735A1; EP4061563A1; US20220389543A1; CN114728340A

Abstract

La invención se refiere a un proceso para fabricar una pieza (20) que comprende una formación de capas metálicas sucesivas (201...20n) que se apilan unas sobre otras, formándose cada capa depositando un metal de aportación (15, 25), energía siendo suministrado al metal de aportación de tal manera que el metal de aportación se funde y, tras la solidificación, constituye dicha capa, caracterizándose el proceso porque el metal de aportación (15, 25) es una aleación de aluminio que comprende los siguientes elementos de aleación (en peso %): - Mg: 2,0%-5,0%; - Zr: 0,5% - 1,0%; - Fe: 0,6% - 3,0%; - opcionalmente Zr: <= 0,5%; - opcionalmente Cu: <= 0,5%; - otros elementos de aleación: <= 1,0% individualmente y <= 4,0% en total; - impurezas: < 0,05 % individualmente y < 0,15 % global; - el resto es aluminio. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Proceso para fabricar una pieza de aleación de aluminio

Campo técnico

El campo técnico de la invención es un proceso para fabricar una pieza de aleación de aluminio, implementar una técnica de fabricación aditiva.

Técnica anterior

Desde la década de 1980, se han desarrollado técnicas de fabricación aditiva. Consisten en dar forma a una pieza mediante la adición de material, que es la opuesto a las técnicas de mecanizado, que tienen como objetivo eliminar el material. Antes restringida a la creación de prototipos, la fabricación aditiva se utiliza ahora para fabricar productos industriales en serie, incluidas piezas metálicas.

El término “ fabricación aditiva” se define según la norma francesa XP E67-001 como un “ conjunto de procesos que permiten fabricar, capa por capa, añadiendo material, un objeto físico a partir de un objeto digital” . La norma ASTM F2792 (enero de 2012) también define la fabricación aditiva. También se definen y describen diferentes procesos de fabricación aditiva en la norma ISO/ASTM 17296-1. La utilización de la fabricación aditiva para producir una pieza de aluminio, con una baja porosidad, se ha descrito en la patente WO2015006447. La aplicación de capas sucesivas se realiza generalmente aplicando un denominado material de carga, luego fundiendo o sinterizando el material rellenador usando una fuente de energía tal como un rayo láser, haz de electrones, soplete de plasma o arco eléctrico. Independientemente del proceso de fabricación aditiva aplicado, el espesor de cada capa añadida es del orden de unas pocas decenas o cientos de micrómetros.

Se pueden utilizar otros procesos de fabricación aditiva. Pueden mencionarse, por ejemplo, y de manera no limitativa, fundir o sinterizar un material rellenador proporcionado en forma de polvo. Puede ser sinterización o fusión por láser. La solicitud de la patente US-20170016096 describe un método para fabricar una pieza mediante fusión localizada obtenida exponiendo un polvo a un haz de energía del haz de electrones o tipo de rayo láser, siendo el método también designado por el acrónimos SLM (fusión selectiva por láser) o EBM (fusión de haz de electrones).

Las propiedades mecánicas de las piezas de aluminio obtenidas mediante fabricación aditiva dependen de la aleación que forma el metal de carga, y más específicamente en su composición y en tratamientos térmicos aplicados después de la implementación de la fabricación aditiva.

Actualmente, se considera que las aleaciones de aluminio de silicio, de tipo 4xxx (Al-Si) que comprenden opcionalmente Mg, son las aleaciones más maduras para la aplicación SLM. Sin embargo, este tipo de aleación puede tener ciertas dificultades durante la anodización. Además, tanto la conductividad térmica como la eléctrica son limitadas.

La patente WO2018185259 describe una aleación para su uso en forma de polvo en un proceso de fabricación aditiva de SLM. La aleación puede contener en particular del 2 % al 7 % en peso de Mg. También puede contener una fracción másica de Zr que varía del 0 % al 1 %.

La patente US-20180010216 describe una aleación para su uso en forma de polvo en un método de fabricación aditiva de SLM. La aleación puede incluir una fracción másica de Mg que varía del 1 % al 10 %, y del 0,45 % al 3 % de Zr. Se observará que esta aleación no incluye hierro.

La patente WO2018009359 describe una aleación de aluminio en forma de polvo que tiene una fracción másica de Mg que varía del 1 % al 10 %, así como una fracción másica de Zr que varía del 0,3 % al 3 %. La aleación también puede incluir Fe, Cu, pero estos elementos están presentes en forma de impurezas inevitables, cuyo contenido es menos de 500 ppm.

Los inventores han determinado una composición de aleación que, cuando se utiliza en un proceso de fabricación aditiva, permite obtener piezas que asocian buenas propiedades mecánicas y, en particular, un buen compromiso entre la elongación a la ruptura y el límite elástico.

Descripción de la invención

Un primer objeto de la invención es un proceso para fabricar una pieza que incluye una formación de capas metálicas sucesivas, superpuestas entre sí, estando cada capa formada por la deposición de un metal rellenador, estando sometida el metal rellenador a una entrada de energía para fundir y constituir, cuando se solidifica, dicha capa, estando el proceso caracterizado por que el metal de carga es una aleación de aluminio que incluye los siguientes elementos de aleación (% en peso):

- Mg: 2,0%- 5,0 %;

- Zr: 0,5 %-1,0 %;

- Fe: 0,6 % - 3,0 %;

- opcionalmente Zn: <0,5 %;

- opcionalmente Cu: <0,5 %;

- otros elementos de aleación, en total <4,0 %, preferiblemente <2,0 %, e individualmente <1,0 %, preferiblemente <0,5 %;

- impurezas: <0,05 % individualmente, y <0,15 % en conjunto;

- el resto consiste en aluminio.

Entre los otros elementos de aleación se citan, por ejemplo, Cr, V, Ti, Mo, Ni, W, Nb, Ta, Sc, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Mn, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Si, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B y/o un mischmetal. La fracción másica de cada otro elemento de aleación, tomada individualmente, puede ser menor o igual al 1,0 %, o incluso 500 ppm, o incluso 300 ppm, o incluso 200 ppm, o incluso 100 ppm.

De un modo conocido por una persona experta en la técnica, la composición del mischmetal es generalmente aproximadamente 45 a 50 % de cerio, 25 % de lantano, 15 a 20 % de neodimio y 5 % de praseodimio. La aleación puede ser tal que no incluya Sc, excepto, opcionalmente, en el estado de impureza. Cuando la aleación comprende Sc, la fracción másica de Sc es preferiblemente estrictamente menos de 500 ppm.

La aleación no incluye Mn, excepto, opcionalmente, en el estado de impureza cuando la aleación incluye Mn, la fracción másica de Mn es estrictamente menos de 500 ppm.

La aleación puede ser tal que no incluya Si, excepto, opcionalmente, en el estado de impureza. Cuando la aleación incluye Si, la fracción másica de Si es preferiblemente menos del 0,2 %, preferiblemente menos del 0,15 %.

Según una variante de la presente invención, la aleación no es una aleación del tipo AA6xxx según la clasificación de la Asociación del Aluminio.

El proceso puede incluir las siguientes características, tomadas solas o según las combinaciones técnicamente procesadas:

- Mg: 2,0 % - 3,5 % y preferiblemente Mg: 2,0 % - 3,0 %;

- Zr: 0,6 % - 1,0 % y preferiblemente 0,7 % - 0,95 %;

Fe: 0,8 % - 1,5 %.

Cada capa puede describir en particular un patrón definido a partir de un modelo digital.

El proceso puede incluir, después de la formación de las capas, una aplicación de al menos un tratamiento térmico. El tratamiento térmico puede ser o incluir un alivio de la fuerza de tensión, un envejecimiento o un recocido, que, por ejemplo, puede realizarse a una temperatura que varía preferiblemente de 200 °C a 500 °C. También puede incluir un tratamiento por disolución y un templado. También puede incluir compresión isostática caliente.

Según una realización ventajosa, el proceso no incluye un tratamiento térmico de tipo templado después de la formación de las capas. Por lo tanto, preferiblemente, el proceso no incluye etapas del tratamiento por disolución seguido de templado.

Según una realización, el metal rellenador toma la forma de un polvo, cuya exposición a un rayo de luz o de partículas cargadas da como resultado una fusión local seguida de una solidificación, para formar una capa sólida. Según otra realización, el metal rellenador se deriva de un cable rellenador, cuya exposición a una fuente de calor, tal como un arco eléctrico, por ejemplo, da como resultado una fusión local seguida de una solidificación, para formar una capa sólida.

Un segundo objeto de la invención es una pieza metálica, obtenida después de la aplicación de un proceso según el primer objeto de la invención a partir de una aleación que no incluye Ti.

Un tercer objeto de la invención es un material, en particular en forma de polvo, destinado a usarse como material rellenador de un proceso de fabricación aditiva, caracterizado porque consiste en una aleación de aluminio, que incluye los siguientes elementos de aleación (% en peso):

Mg: 2,0 % - 5,0 %;

Zr: 0,5 % - 1,0 %;

Fe: 0,6 % - 3,0 %;

- opcionalmente Zn: <0,5 %;

- opcionalmente Cu: <0,5 %;

- otros elementos de aleación en total <4,0 %, preferiblemente <2,0 %, e individualmente <1,0 %, preferiblemente <0,5 %, los otros elementos de aleación se seleccionan de: Cr, V, Ti, Mo, Ni, W, Nb, Ta, Sc, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Si, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B y/o un mischmetal;

- impurezas: <0,05 % individualmente, y <0,15 % en conjunto;

- el resto consiste en aluminio.

La aleación de aluminio que forma el material rellenador puede tener cualquiera de las características descritas en relación con el primer objeto de la invención.

Otras ventajas y características resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción de realizaciones particulares de la invención, dada a modo de ejemplos no limitativos, y representadas en las figuras enumeradas a continuación.

Figuras

[Figura 1]La Figura 1 es un diagrama que muestra un proceso de fabricación aditiva del tipo SLM.

[Figura 2 ]La Figura 2 muestra la evolución de una temperatura de fusión basada en la fracción másica de circonio.

[Figura 3 ]La Figura 3 es una geometría de muestra de prueba utilizada para realizar pruebas de tracción, obteniéndose la muestra de prueba de una primera pieza de prueba.

[Figura 4 ]La Figura 4 muestra los resultados de las pruebas de tracción realizadas en las muestras de prueba, desarrolladas con una aleación según la invención, y muestras de prueba de referencia, desarrolladas con una aleación de referencia.

[Figura 5]La Figura 5 muestra una sección transversal de una segunda pieza de prueba.

[Figura 6]La Figura 6 muestra imágenes de secciones transversales de segundas piezas de prueba, después del pulido, utilizándose estas imágenes para cuantificar un nivel de porosidad.

[Figura 7A]La Figura 7A es un perfil de superficie tridimensional producido en una tercera pieza de prueba antes del electropulido.

[Figura 7B]La Figura 7B es un perfil de superficie tridimensional producido en una tercera pieza de prueba después del electropulido.

[Figura 8]La Figura 8 es un diagrama que muestra un proceso de fabricación aditiva del tipo WAAM.

Descripción de realizaciones particulares

En la descripción, salvo que se indique lo contrario:

- la designación de aleaciones de aluminio es según la nomenclatura de la asociación de aluminio;

- el contenido del elemento químico se designa como porcentajes y representan fracciones másicas. La notación x % - y % significa mayor o igual que x % y menor o igual que y %.

Se entiende que el término “ impureza” significa elementos químicos que están presentes involuntariamente en la aleación.

La Figura 1 muestra esquemáticamente el funcionamiento de un proceso de fabricación aditiva del tipo de fusión selectiva por láser (SLM). El metal rellenador 15 está en forma de polvo dispuesto sobre un soporte 10. Una fuente de energía, en este caso una fuente 11 de láser, emite un rayo láser 12. La fuente de láser se acopla al material rellenador mediante un sistema óptico 13, cuyo movimiento se determina en base a un modelo digitalM.El rayo láser 12 se propaga a lo largo de un eje Z de propagación, y sigue un movimiento a lo largo de un plano XY que describe un patrón dependiente del modelo digital. El plano es, por ejemplo, perpendicular al eje Z de propagación. La interacción del rayo láser 12 con el polvo 15 genera una fusión selectiva de este último, seguida de una solidificación, lo que da como resultado la formación de una capa 20<1>...20<n>. Cuando se ha formado una capa, se cubre con polvo 15 del metal rellenador y se forma otra capa, superpuesta sobre la capa producida previamente. El espesor del polvo que forma una capa puede ser, por ejemplo, de 10 a 200 pm.

El polvo puede tener al menos una de las siguientes características:

- Tamaño de partícula promedio de 5 a 100 pm, preferiblemente de 5 a 25 pm, o de 20 a 60 pm. Los valores dados significan que al menos el 80 % de las partículas tienen un tamaño en el intervalo especificado;

- Forma esférica. La esfericidad de un polvo puede determinarse, por ejemplo, utilizando un morfogranulómetro;

- Buena fluidez. La fluidez de un polvo puede determinarse, por ejemplo, según la norma ASTM B213 o ISO 4490: 2018. Según la norma ISO 4490: 2018, el tiempo de flujo es preferiblemente menos de 50;

- La baja porosidad, preferiblemente del 0 al 5 %, más preferiblemente del 0 al 2 %, aun más preferiblemente del 0 al 1 % en volumen. La porosidad puede determinarse en particular mediante análisis de imágenes a partir de micrografías ópticas o mediante picnometría de helio (véase la norma ASTM B923);

- Ausencia o pequeña cantidad (menos del 10 %, preferiblemente menos del 5 % en volumen) de partículas pequeñas (1 al 20 % del tamaño promedio del polvo), denominada satélites, que se adhieren a las partículas más grandes.

Dicho polvo es particularmente adecuado para implementar un proceso de SLM. Dicho proceso hace posible obtener una fabricación, en paralelo, de varias piezas monolíticas, a un coste razonable.

Los inventores han implementado un proceso de fabricación aditiva de SLM para producir piezas, por ejemplo, destinados a vehículos o para aeronaves. Estas piezas deben tener en particular buenas propiedades mecánicas, en particular en términos del límite elástico o de la elongación a la ruptura. También deben tener una baja sensibilidad al resquebrajamiento.

Sin embargo, los inventores han observado que la aplicación de tratamientos térmicos de tipo templado podría inducir una distorsión de la pieza, debido a la variación repentina de la temperatura. La distorsión de la pieza es generalmente mayor cuanto mayor sea la pieza. Sin embargo, la ventaja de un proceso de fabricación aditiva es precisamente obtener una pieza que tenga una forma definitiva, o casi definitiva, después de la fabricación. Por lo tanto, se debe evitar la aparición de una deformación significativa resultante de un tratamiento térmico. Se entiende que el término “ casi definitivo” significa que el mecanizado de acabado puede realizarse en la pieza después de su fabricación: la pieza fabricada por fabricación aditiva se extiende en su forma final, pendiente del mecanizado de acabado.

Habiendo observado lo anterior, los inventores han buscado una composición de aleación, que forma el material rellenador de un proceso de fabricación aditiva, lo que permite obtener propiedades mecánicas satisfactorias sin requerir la aplicación de tratamientos térmicos después de la formación de las capas, lo que corre el riesgo de inducir una distorsión. En particular, implica evitar tratamientos térmicos que implican una variación repentina de la temperatura. Por lo tanto, la invención hace posible obtener, mediante fabricación aditiva, una pieza cuyas propiedades mecánicas son satisfactorias, en particular las propiedades de tracción mecánica (resistencia del rendimiento, elongación a la ruptura), así como la sensibilidad al resquebrajamiento. Además, la pieza resultante de la implementación del proceso es compatible con tratamientos de superficie electroquímica, como anodización o electropulido.

Dependiendo del tipo de proceso de fabricación aditiva elegido, el material rellenador puede estar en forma de un alambre o un polvo.

La composición de la aleación también debe ser compatible con las especificidades de un proceso de fabricación aditiva. Se trata en particular de tener una temperatura de fusión que sea lo más baja posible, para limitar la evaporación de los elementos presentes en la aleación, en particular Mg.

Una fracción másica de Mg que varía de 2,0% a5,0%permite obtener propiedades mecánicas satisfactorias. Preferiblemente, la fracción másica de Mg es menos del 3,5 % o el 3,0 %, para limitar los riesgos de corrosión intragranular, en particular durante la exposición de una pieza fabricada a temperaturas que oscilan de 60 °C a 200 °C. Para obtener una buena resistencia a la corrosión, por lo tanto, es preferible que la fracción másica de Mg esté preferiblemente entre 2,0 % y 3,5 %, siendo el intervalo óptimo de 2,0 % a 3,0 %. Por debajo del 2,0 %, se considera que las propiedades mecánicas no son necesarias: de hecho, por debajo de 2,0 %, se considera que existe un mayor riesgo de resquebrajamiento, en particular al final de la solidificación. Por lo tanto, la fracción másica de Mg se optimiza para obtener propiedades mecánicas, al tiempo que limita los riesgos relacionados con la corrosión.

Además, los inventores han observado que una pequeña fracción másica de Zr, que varía del 0,5 % al 1,0 %, y preferiblemente del 0,7 % al 0,95 %, hace posible obtener propiedades de tracción mecánica satisfactorias, en particular, la elongación a la ruptura. Además, la presencia de Zr, unida a un tratamiento térmico, permite mejorar el límite elástico debido a la formación de precipitados de AbZr. Dicha fracción másica de Zr hace posible mantener una temperatura de líquido relativamente baja, por debajo de 1000 °C. Esto hace posible limitar la evaporación de elementos volátiles, tales como Mg, cuando la aleación se somete a una temperatura mayor o igual que su temperatura de fusión. Estas en particular incluyen:

- la etapa de preparar el polvo, durante el cual la aleación se somete a pulverización, para formar gotas de aleación líquida. Se pretende que este último se solidifique para formar el polvo;

- la implementación del proceso de fabricación real, durante el cual la aleación experimenta una fusión localizada bajo el efecto de la exposición al rayo láser incidente.

Por lo tanto, la fracción másica de Zr es suficiente para mejorar las propiedades mecánicas, al tiempo que confiere una temperatura de líquido suficientemente baja. Esto hace posible limitar la temperatura de fabricación del polvo o para implementar el proceso de fabricación aditiva.

La Figura 2 muestra una evolución de la temperatura de fusión (°C) basada en la fracción másica de Zr (en %) para una aleación de aluminio que comprende 3,0 % de Mg y 1,0 % de Fe. Esta curva se obtuvo usando el software FactSage 7.1 usando la base de datos VLAB provista del software. Muestra que un contenido de Zr de menos del 1,0 % hace posible mantener la temperatura de fusión menor o igual al 1000 °C.

La aleación también comprende una fracción másica de Fe que varía del 0,6 % al 3,0 %, y preferiblemente del 0,8 % al 1,5 %. Dicha fracción másica hace posible obtener una buena resistencia al resquebrajamiento. La presencia de Fe también hace posible aumentar el límite elástico.

Opcionalmente, la aleación puede comprender Zn, en una fracción másica menor o igual al 0,5 %. Esto permite una mayor resistencia a la corrosión.

Opcionalmente, la aleación puede comprender Cu, en una fracción másica menor o igual al 0,5 %. Esto permite una mayor resistencia a la corrosión.

La aleación puede comprender Zn y Cu, siendo entonces la fracción másica acumulativa menor o igual al 0,5 %.

La aleación de aluminio también puede incluir otros elementos de aleación, tales como Cr, V, Ti, Mo, W, Nb, Ta, Sc, Zn, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Si, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B Y/o un mischmetal, según una fracción másica acumulativa que es menor o igual al 4,0 %, preferiblemente menor o igual al 2,0 %. La fracción másica de cada otro elemento de aleación tomada individualmente es menor o igual al 1,0 %, preferiblemente menor o igual al 0,5 %, Cuando la aleación comprende Mn, la fracción másica de Mn es estrictamente menos de 500 ppm.

Entre los elementos de aleación enumerados anteriormente, es preferible que la aleación no comprenda Sc o Mn, o que comprenda fracciones másicas bajas de los mismos, preferiblemente menos de 200 ppm o 100 ppm, o en el estado de impureza, es decir, sin adición deliberada.

Además de buenas propiedades mecánicas, la aleación descrita anteriormente comprende las siguientes ventajas:

- una composición capaz de estar exenta de materiales raros, por ejemplo, Sc o tierras raras;

- de hecho, se considera que las microestructuras rápidamente solidificadas formadas a partir de aleaciones que comprenden un bajo contenido de metales de transición (en este caso, Zr y Fe) presentan una buena resistencia a la corrosión. Una posible causa es la ausencia de partículas grandes, generalmente denominadas “ partículas gruesas” por una persona experta en la técnica;

- buena compatibilidad con procesos de tratamiento de superficies electroquímicas, en particular anodización, debido a la ausencia, o la pequeña cantidad, de Si y la finura de la microestructura formada después de la solidificación rápida de la aleación.

Además, la aleación descrita anteriormente tiene buenas propiedades mecánicas sin que sea necesario aplicar un tratamiento térmico posterior a la fabricación. Como se describe a continuación, en los ejemplos experimentales, la aplicación de un tratamiento térmico, como el envejecimiento o el recocido, permite un mayor límite elástico, en detrimento de la elongación a la ruptura.

Ejemplos experimentales

Las primeras pruebas se realizaron usando una aleación, cuya composición se incluyó, aparte del Al; Mg: 2,7 %; Zr: 0,76 %; Fe: 1,0 %; impurezas: <0,05 % con un agregado de impurezas <0,15 %. La temperatura de fusión de dicha aleación se estimó en 897 °C. A modo de comparación, una aleación del Al; Tipo Mg: 3,66 %; Zr: 1,5 %, según se describe en la patente WO2018009359, tiene una temperatura de fusión de 994 °C.

Las piezas de prueba se produjeron mediante SLM, usando una máquina del tipo EOS 290 SLM (proveedor EOS). La potencia de láser fue de 370 W. La velocidad de barrido fue igual a 1250 mm/s.

La diferencia entre dos líneas de barrido adyacentes, generalmente denominada “ distancia de escotilla” , fue de 0,11 mm. Cada capa de metal tenía un espesor de 60 pm. La placa sobre la que reposaba el polvo se calentó a 200 °C.

El polvo utilizado tenía un tamaño de partícula sustancialmente de 3 pm a 100 pm, con una media de 29 pm, una fracción del 10 % de 11 pm y una fracción del 90 % de 60 pm. El polvo se formó a partir de un lingote de aleación implementando un atomizador Nanoval, a una temperatura de 950 °C y una diferencia de presión de 4 bares. El polvo resultante de la atomización se filtró por tamaño, siendo el tamaño de filtración de 90 pm.

Se fabricaron las primeras piezas de prueba, en forma de cilindro con un diámetro de 11 mm y una altura de 46 mm. Las primeras piezas de prueba cilíndricas se mecanizaron para obtener muestras de prueba cilíndricas, previstas para pruebas de tracción, que tenían dimensiones enumeradas en la Tabla 1. La geometría de las muestras de prueba se muestra en la Figura 3. En la Figura 3 y en la Tabla 1, 0 ilustra el diámetro de la parte central de la muestra de prueba, M la anchura de los dos extremos de la muestra de prueba, LT la longitud total de la muestra de prueba, R el radio de curvatura entre la parte central y los extremos de la muestra de prueba, Le la longitud de la parte central de la muestra de prueba, y F la longitud de los dos extremos de la muestra de prueba. Los valores mencionados en la T abla 1 están en milímetros.

Tabla 1

Las muestras de prueba obtenidas de este modo se probaron en condiciones de tracción A temperatura ambiente según la norma NF EN ISO 6892-1 (2009-10), para determinar la elongación a la ruptura (A %) así como el límite elástico Rp0,2. Estas propiedades se midieron en paralelo a la longitud total LT de cada muestra de prueba.

La Tabla 2 da los resultados de las pruebas de tracción obtenidas con las muestras de prueba (prueba 1, prueba 2, prueba 3 y prueba 4). Para cada muestra de prueba, el tratamiento térmico se llevó a cabo, así como la elongación a la ruptura (A %- unidad %) y el límite elástico (RP0.2, unidad: Mpa) se ha proporcionado. Antes de obtener las muestras de prueba, las primeras piezas de prueba se sometieron a un alivio de la fuerza de tensión durante 4 h a 300 °C.

Las primeras piezas de prueba, a partir de las cuales se mecanizaron las muestras de prueba 2, prueba 3 y prueba 4, se recocieron a 400 °C durante 1 h, 4 h y 8 h, respectivamente. La primera pieza de prueba, a partir de la cual se mecanizó la muestra de prueba 1, no experimentó un tratamiento térmico después de la expansión. El objetivo del tratamiento térmico a 400 °C es aumentar el límite de elasticidad, al promover la formación de precipitados AbZr.

Los resultados obtenidos se compararon con resultados de referencia, obtenidos utilizando una aleación del tipo AlSi10Mg, estos resultados están disponibles en la bibliografía, y en particular visibles en la página web de la empresa EOS Gmbh: https://gpiprototype.com/pdf/EOS_Aluminium_AlSi10Mg_en.pdf. En la Tabla 2 a continuación, la referencia “ ref. 1 ” corresponde a una ausencia de tratamiento térmico, usualmente denominado el término “ como se ha construido” . La referencia “ ref. 2” corresponde a la aplicación de un alivio de la fuerza de tensión de 2 h a 300 °C.

Tabla 2

Los resultados enumerados en la Tabla 2 se muestran en la Figura 4. Se observa que las muestras de prueba tienen un mejor compromiso entre la fuerza de rendimiento/elongación a la ruptura que los valores de referencia. Las propiedades de tracción mecánica son mayores.

Además, se observa que sin tratamiento térmico (“ como se ha construido” ), el límite elástico medido en la primera pieza de prueba es menos que los valores de referencia. Esto se considera ventajoso, ya que es menos propicio para la apariencia de las fisuras. De hecho, tener un material más blando permite limitar las tensiones residuales, lo que puede conducir a la apariencia de las fisuras.

Se observa que se obtienen propiedades mecánicas ventajosas, sin que sea necesario llevar a cabo un tratamiento como tratamiento por disolución y templado. Se recuerda que es preferible evitar dicho tratamiento, para evitar una variación abrupta de temperatura, siendo esta última capaz de inducir una deformación de la pieza fabricada.

Se produjeron segundas piezas de prueba, tomando la forma de cubos con dimensiones de 9 mm x 9 mm x 9 mm. Estos cubos han sido objeto de mordentado para formar ranuras, de diferentes diámetros, destinadas a promover el resquebrajamiento térmico. Los cortes se formaron a un espesor medio para evaluar la presencia de resquebrajamiento en los cortes, así como el nivel de porosidad. La Figura 5 muestra las características geométricas de cada corte. Se llevó a cabo un pulido de papel abrasivo en cada corte, seguido de un acabado con una pasta de diamante hasta 1 pm.

La Tabla 3 muestra, para diferentes cubos, los parámetros de fabricación (potencia, distancia de la escotilla, tasa de barrido, tasa de deposición, generalmente denominados usando el término “ tasa de construcción” ), así como porosidad (%). Este último se estimó mediante análisis de imágenes de las secciones, después del pulido, usando el software libre “ Image J” . Además, los análisis de microscopio realizados en cada sección, después del pulido, confirmaron la ausencia de resquebrajamiento en los cortes. Por lo tanto, la aleación propuesta por los inventores tiene una baja sensibilidad al resquebrajamiento. La Figura 6 muestra las imágenes de 9 cortes después del pulido.

Tabla 3

Un resultado notable es la ausencia de resquebrajamiento, mientras que la tasa de deposición y la tasa de barrido son altas y compatibles con tasas de producción industriales. La invención hace posible fabricar rápidamente piezas, sin que se vean afectadas por fisuras. Además, estos resultados se observaron variando los parámetros de fabricación, en particular la velocidad de escaneo y la distancia de la escotilla. Mediante el uso de la aleación descrita anteriormente, no es necesario realizar un ajuste preciso de los parámetros experimentales para definir parámetros de fabricación óptimos que reducen el resquebrajamiento.

Las piezas obtenidas de una aleación según la invención son compatibles con procesos de tratamiento de superficies electroquímicas, como anodización o electropulido. Esto es una ventaja importante en comparación con las aleaciones del tipo Al-Si, considerándose esta última no ser muy compatible con dichos tratamientos superficiales y, en particular, con electropulido o anodización. La aleación según la invención hace posible entonces obtener piezas con un buen nivel de acabado.

Se produjo una tercera pieza de prueba, de forma paralelepípeda, de dimensiones 150 mm x 50 mm x 3 mm. La tercera pieza de prueba se sometió a electropulido. Los perfiles de superficie 3D se produjeron antes y después del electropulido, respectivamente, usando un microscopio óptico Brukers GT3D K1. Las Figuras 7A y 7B muestran los perfiles 3D obtenidos antes y después del electropulido, respectivamente. Cada perfil se fabricó a lo largo de una superficie cuadrada de 4 mm por lado. El estado de la superficie se caracterizó en particular por los siguientes parámetros: aspereza Ra (desviación media de la aspereza Ra según la norma DIN NF EN ISO 4287), aspereza Rz (altura media del perfil Rz según la norma DIN NF EN ISO 4287) y desviación típica a.

La Tabla 4 a continuación muestra los resultados obtenidos:

Tabla 4

Se observa que el electropulido permite una mejora significativa en la condición superficial.

Según una realización, el proceso puede incluir compresión isostática en caliente (HIC). El tratamiento con HIC puede, en particular, hacer posible mejorar las propiedades de elongación y las propiedades de fatiga. También puede permitir una porosidad reducida. La compresión isostática en caliente se puede realizar antes, después o en lugar del tratamiento térmico. De forma ventajosa, la compresión isostática en caliente se realiza a una temperatura de 250 °C a 500 °C y preferiblemente de 300 °C a 450 °C, a una presión de 500 a 3000 bar y durante una duración de 0,5 a 100 horas.

Según otra realización, adecuada para aleaciones con endurecimiento estructural, una solución puede tratarse por disolución seguido de templado y envejecimiento de la pieza formada y/o compresión isostática caliente. En este caso, la compresión isostática en caliente puede reemplazar ventajosamente el tratamiento por disolución.

Sin embargo, el proceso según la invención es ventajoso, ya que preferiblemente no requiere un tratamiento por disolución seguido de templado. El tratamiento por disolución puede tener un efecto perjudicial sobre la resistencia mecánica favoreciendo un aumento de los dispersoides o fases intermetálicas finas.

Según una realización, el proceso según la presente invención también incluye opcionalmente un tratamiento de mecanizado, y/o un tratamiento de superficie química, electroquímica o mecánica, y/o triboacabado. Estos tratamientos pueden realizarse en particular para reducir la aspereza y/o para mejorar la resistencia a la corrosión y/o para mejorar la resistencia al inicio de las fisuras por fatiga.

Opcionalmente, es posible producir una deformación mecánica de la pieza, por ejemplo, después de la fabricación aditiva y/o antes del tratamiento térmico.

Aunque se describe en relación con un proceso de fabricación aditiva de tipo SLM, el proceso puede aplicarse a otros procesos de fabricación aditiva de tipo WAAM, mencionados en relación con la técnica anterior. La Figura 8 representa dicha alternativa. Una fuente 31 de energía, en este caso un soplete, forma un arco eléctrico 32. En este dispositivo, el soplete 31 se sujeta con un robot 33 de soldadura. La pieza 20 a fabricar se dispone en un soporte 10. En este ejemplo, la pieza fabricada es una pared que se extiende a lo largo de un eje transversal Z perpendicular a un plano XY definido por el soporte 10. Bajo el efecto del arco eléctrico 12, un cable rellenador 35 se funde para formar un cordón de soldadura. El robot de soldadura se controla mediante un modelo digitalM.Se desplaza para formar varias capas 20<1>...20<n>, apiladas una encima de la otra, formando la pared 20, correspondiendo cada capa a un cordón de soldadura. Cada capa 20<1>...20<n>se extiende en el plano XY, según un patrón definido por el modelo digital M.

El diámetro del cable rellenador es preferiblemente menos de 3 mm. Puede ser de 0,5 mm a 3 mm y es preferiblemente de 0,5 mm a 2 mm, o incluso de 1 mm a 2 mm. Es por ejemplo 1,2 mm.

También son concebibles otros procesos, por ejemplo, y de forma no limitativa:

- Sinterización selectiva por láser (SLS);

- Sinterización directa de metales por láser (DMLS);

- Sinterización selectiva por calor (SHS);

- Fusión por haz de electrones (EBM);

- Deposición de fusión por láser;

- Deposición de energía directa (DED);

- Deposición de metales directa (DMD);

- Deposición directa con láser (DLD);

- Tecnología de deposición por láser;

- Conformación de redes de ingeniería con láser;

- Tecnología de adición por láser;

- Tecnología de fabricación con láser de forma libre (LFMT);

- Deposición de metales por láser (LMD);

- Consolidación por pulverización en frío (CSC);

- Agitación por fricción aditiva (AFS);

- Tecnología de sinterización asistida por campo (FAST) o sinterización por plasma de chispa; o - Soldadura por fricción rotativa por inercia (IRFW).

Claims

REIVINDICACIONES

i.Proceso para fabricar una pieza (20) que incluye una formación de capas metálicas sucesivas (20<1>...20<n>), que se superponen entre sí, formándose cada capa depositando un metal rellenador (15, 25), estando el metal rellenador sometido a un suministro de energía para fundirse y constituir, tras solidificarse, dicha capa, estando el procesocaracterizado porqueel metal rellenador (15, 25) es una aleación de aluminio que no incluye Mn, salvo opcionalmente en el estado de impureza, e incluye los siguientes elementos de aleación (% en peso);

-Mg: 2,0 % - 5,0 %;

-Zr: 0,5 % - 1,0 %;

-Fe: 0,6 % - 3,0 %;

-opcionalmente Zn: <0,5 %;

-opcionalmente, Cu: <0,5 %;

-otros elementos de aleación, en total <4 %, e individualmente <1,0 %, los otros elementos de aleación se seleccionan de: Cr, V, Ti, Mo, Ni, W, Nb, Ta, Sc, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Si, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B y/o mischmetal;

-impurezas: <0,05 % individualmente, y en total <0,15 %;

-resto aluminio.
2. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde Mg: 2,0 % - 3,5 % o Mg: 2,0 % -3,0 %.
3. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde Zr: 0,6 % -1,0 % y preferiblemente Zr: 0,7 % - 0,95 %
4. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde Fe: 0,8 % - 1,5 %.
5. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que no incluye Sc, salvo opcionalmente en el estado de impureza.
6. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la fracción másica individual de cada otro elemento de aleación es menos de 500 ppm, o menos de 300 ppm, o menos de 200 ppm, o menos de 100 ppm.
7. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye, después de la formación de las capas (20<1>...20<n>), una aplicación de un tratamiento térmico.
8. Proceso según la reivindicación 7, en donde el tratamiento térmico es un alivio de la fuerza de tensión o un envejecimiento o un recocido.
9. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8, en donde el tratamiento térmico se realiza a una temperatura de 200 °C a 500 °C.
10. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que no incluye un tratamiento térmico de tipo templado después de la formación de las capas.
11. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el metal rellenador toma la forma de un polvo (15), cuya exposición a un rayo (12) de luz o partículas cargadas da como resultado una fusión localizada seguida de una solidificación, para formar una capa sólida (20<1>...20<n>).
12. Proceso según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el metal rellenador se obtiene de un cable rellenador (25), cuya exposición a una fuente (22) de calor da como resultado una fusión localizada seguida de una solidificación, para formar una capa sólida (20<1>...20<n>).
13. Pieza metálica obtenida mediante un proceso según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los otros elementos de aleación se seleccionan de: Cr, V, Ti, Mo, Ni, W, Nb, Ta, Sc, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Si, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B y/o mischmetal.
14. Polvo, destinado a utilizarse como material rellenador de un proceso de fabricación aditiva,caracterizado porquese forma a partir de una aleación de aluminio, que no incluye Mn, salvo opcionalmente en el estado de impureza, e incluye los siguientes elementos de aleación (% en peso):

-Mg: 2,0 % - 5,0 %;

-Zr: 0,5 % - 1,0 %;

-Fe: 0,6 % - 3,0 %;

-opcionalmente Zn: <0,5 %;

-opcionalmente, Cu: <0,5 %;

-otros elementos de aleación, en total <4,0 %, e individualmente <1,0 %, los otros elementos de aleación se seleccionan de: Cr, V, Ti, Mo, Ni, W, Nb, Ta, Sc, Hf, Nd, Ce, Co, La, Ag, Li, Y, Yb, Er, Sn, In, Si, Sb, Sr, Ba, Bi, Ca, P, B y/o mischmetal;

-impurezas: <0,05 % individualmente, y en total <0,15 %;

-resto aluminio.