Evaluación de las propiedades mecánicas de recubrimientos

Asociación Española de
Ingeniería Mecánica
XVIII CONGRESO NACIONAL
DE INGENIERÍA MECÁNICA
Evaluación de las propiedades mecánicas de recubrimientos
realizados por plaqueado láser en Inconel 718
I. Tabernero, A. Lamikiz, E. Ukar, E. Artetxe
Dpto. Ingeniería Mecánica. Univ. del País Vasco UPV/EHU
[email protected]
J. Delgado
Dept. Mechanical engineering and civil construction, Universitat de Girona, Girona
RESUMEN
El presente trabajo presenta los resultados obtenidos de una serie de ensayos de tracción realizados a probetas
de Inconel 718 fabricadas mediante plaqueado láser o laser cladding. Así, se ha realizado una evaluación de
diferentes estrategias o patrones de aporte utilizados y cómo afectan éstas a las propiedades mecánicas de las
probetas. Para ello se han fabricado una serie de probetas siguiendo diferentes estrategias de aporte. Se
proponen dos tipos de probetas: Probetas substrato-material aportado, donde se analizará la resistencia de la
unión entre el aporte y el substrato, y probetas fabricadas directamente solamente con material de aporte, que
permiten valorar la resistencia del solape de las capas de aporte, tanto en la dirección del cordón como en
dirección del solape. En las probetas de substrato-material aportado se han utilizado estrategias en zig-zag y en
espiral, mientras que en las probetas de solo material de aporte se ha utilizado la estrategia en zig-zag en la
dirección transversal y en la longitudinal al esfuerzo de tracción. Por último, se ha evaluado también la
diferencia de la resistencia a tracción entre probetas aportadas directamente sobre Inconel 718 o probetas que
tras el aporte han sufrido un tratamiento térmico de precipitado. Tal y como se esperaba, la resistencia de estas
últimas es superior.
INTRODUCCION
El proceso de láser cladding o plaqueado láser es uno de los procesos de fabricación emergentes que más interés
está suscitando en los últimos años y que mayor esfuerzo investigador está abarcando. El plaqueado láser
consiste en hacer incidir un haz láser sobre un substrato o material base metálico, a la vez que se deposita
material de aporte en el mismo. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de una operación de plaqueado láser así
como un esquema de la operación. La energía aportada crea un baño fundido en el substrato en el que se deposita
un material de aporte. El resultado es que se crea un cordón recubriendo el substrato con una calidad de unión
muy elevada en comparación a otros métodos de aporte. Mediante la creación de sucesivos cordones se genera
una capa o recubrimiento cuyo espesor oscila entre 0.1 y 2mm de espesor. A su vez, la superposición de
sucesivas capas de material de aporte puede dar lugar a geometrías en 3D. El material de aporte se deposita en el
substrato en forma de hilo, polvo predepositado o, lo más habitual, en forma de polvo inyectado a través de una
boquilla. Este último caso es el más empleado por su versatilidad y calidad de los cordones generados.
Las principales ventajas del proceso se derivan del empleo del láser como fuente de energía. Así, el aporte se
realiza en una zona muy localizada y el daño térmico se localiza en una pequeña zona del material base en
comparación con otros métodos de calentamiento como el plasma o arco eléctrico. Por otro lado, el enfriamiento
se realiza rápidamente sobre una atmósfera protegida por el propio gas que arrastra el polvo, por lo que se
obtiene una alta calidad en la geometría generada. Estas características permiten su uso en aplicaciones de
recubrimientos de superficies con requisitos tribológicos específicos, la reparación de piezas de alto valor
añadido y el prototipado o la fabricación a baja escala de piezas complejas [1, 2, 3].
En el campo de la reparación de piezas mediante aporte por láser, podemos destacar la reparación de
componentes de motores de aeronaves, en el que básicamente se pueden dividir los componentes en dos tipos:
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Las partes frías, que se encuentran antes de la cámara de combustión y que suelen estar fabricados en aleaciones
base titanio. Por otro lado, las partes calientes, que se encuentran tras la cámara de combustión. En este caso, las
piezas son de aleaciones base níquel [4, 5]. Dentro de las aleaciones base níquel, una de las más utilizadas es el
Inconel 718, ya que garantiza buenas propiedades mecánicas a temperaturas superiores a 650ºC. De esta forma,
debido al interés de la industria aeronáutica y de energía en este material, se ha seleccionado esta aleación para
realizar el estudio que se desarrolla en este trabajo.
Una etapa importante previa al proceso de aporte láser es el diseño de la operación de aporte y la creación de las
trayectorias que debe seguir la boquilla para generar la geometría deseada. Para ello, es necesario generar el
programa de control numérico con los parámetros de proceso adecuados. Esta tarea suele requerir el empleo de
un software CAD/CAM que divide la geometría 3D de la pieza en capas y posteriormente, mediante algoritmos
de planificación de trayectorias, calcula las direcciones en las que se generan los cordones [1]. Estos algoritmos
también son capaces de dividir la pieza en subconjuntos para facilitar las estrategias de aporte. Este caso es muy
útil para procesos de aporte multieje [6].
Fig. 1. Izq.) Proceso de plaqueado láser. Dcha.) Esquema de una operación de plaqueado láser
Dado que en el proceso de plaqueado láser intervienen un número muy elevado de parámetros (Potencia del
láser, caudal de polvo, caudal de gas, avance de la boquilla, distancia de solape entre cordones,…) es habitual
ajustar el proceso mediante la realización previa de ensayos experimentales para obtener una configuración
óptima de los diferentes parámetros del proceso. El resultado de estos ensayos marca el diseño de las trayectorias
y otros aspectos como la distancia entre cordones o la altura de cada capa. A su vez la elección de estrategias de
aporte tiene influencia en la calidad de la pieza fabricada, pudiendo afectar en la calidad del recubrimiento
obtenido así como a las tensiones residuales generadas. Por otro lado, las tensiones residuales y distorsiones
geométricas generadas en las piezas son inevitables debido a la alta cantidad de energía que es requerida por el
proceso y dependen en gran parte de las condiciones del proceso, de las propiedades del material y del tamaño de
la pieza y el substrato. Sin embargo existen estudios que confirman que este problema puede reducirse
realizando una correcta selección de las estrategias de aporte [7, 8, 9].
Por otro lado, las estrategias de aporte pueden influir en la resistencia del aporte realizado, ya que la estructura
de la zona aportada no es homogénea sino que presenta unas propiedades mecánicas anisótropas. En algunos
trabajos, se afirma que la dirección en la que se realizan los cordones presenta mayor resistencia que la
transversal a éstos, pero no se dan datos concretos de este hecho [10]. Además, la mayor parte de las piezas que
se recuperan o fabrican mediante aporte por láser no consideran la estrategia de aporte como parámetro
relevante. En otras palabras, la selección de la estrategia de aporte no se realiza basándose en las propiedades
finales de la pieza. Los tipos de estrategias básicas que se utilizan en los procesos de aporte láser suelen ser
trayectorias en zig-zag y en espiral por su facilidad de programación y velocidad de aporte. Los patrones en zigzag se pueden realizar según diferentes direcciones, aunque lo más habitual es elegir los ejes X o Y de la
máquina por sencillez de programación.
El principal objetivo de este trabajo es comprobar en que grado afectan los patrones de aporte utilizados
habitualmente en la industria en las propiedades mecánicas. Considerando la cantidad de trabajos publicados
sobre el proceso de plaqueado láser, se han encontrado pocos estudios documentados que hablen de la relación
entre estrategias y propiedades mecánicas. Cabe destacar los publicados por Niederhauser y Karlsson [10] y por
Y. Hua y J. Choi [11], en el que se presenta un estudio de las propiedades mecánicas de piezas aportadas con
láser de acero de herramientas AISI H13. Entre otras conclusiones se destaca que el nivel de porosidad se reduce
al utilizar estrategias en zig-zag. Con el objetivo de profundizar en este aspecto se han realizado ensayos de
tracción de cuatro series de probetas siguiendo diferentes estrategias de aporte para caracterizar su
comportamiento mecánico. Por último, y dado que el Inconel 718 suele utilizarse tras realizar un tratamiento
térmico de precipitado [12, 13, 14], se han realizado los mismos ensayos en series de probetas tratadas.
Evaluación de las propiedades mecánicas de piezas fabricadas por laser cladding en Inconel 718
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MONTAJE EXPERIMENTAL
Las probetas de tracción se han fabricado en una aleación base Níquel denominada Inconel 718. Se han utilizado
substratos de Inconel 718 recocido y polvo del mismo material atomizado por gas en un rango de tamaño 70 180 µm. El alimentador de polvo utilizado es un Sulzer Metco Twin 10-C, que permite controlar el caudal de
polvo introducido a una boquilla coaxial continua. El plaqueado láser para la fabricación de las probetas se ha
realizado en un centro de mecanizado Kondia B-500 de 3 ejes, en cuyo cabezal se ha acoplado un láser de diodos
de alta potencia Rofin DL 015S de 1,5 KW (Ver Figura 2). En la Tabla (1) se resumen los parámetros
experimentales utilizados en el proceso de aporte. Estos parámetros se han obtenido tras diferentes ensayos
realizados en trabajos previos, en los que se ha estudiado la combinación óptima de los mismos [15].
Una vez realizado el aporte, se han realizado cortes por electroerosión por hilo en una máquina ONA PRIMA E
250 para obtener las probetas de tracción con la geometría adecuada. Se ha seleccionado la electroerosión para
fabricar las probetas debido a que modifica mínimamente las propiedades mecánicas de la pieza.
a)
b)
Eje Z
Láser
Boquilla
Eje Y
Eje X
Fig. 2. a) Esquema del equipo de plaqueado láser. b) Láser de diodos utilizado para los ensayos
Tabla 1. Parámetros utilizados en los procesos de aporte.
Material
Inconel 718
Tamaño polvo (µm)
70-180
Caudal de polvo (g/min)
5,2
Potencia (W)
1.100 W
Avance (mm/min)
700
Las probetas se han diseñado según la Norma UNE-EN 10002-1. Materiales metálicos. Ensayos de tracción.
Parte 1. Método de ensayo a temperatura ambiente. En la Fig. (3) se pueden observar las dimensiones de la
probeta de tracción (a) y las etapas que se han seguido para obtener las probetas (b). También se muestra un
ensayo de tracción sobre una de las probetas ya cortadas (c). En una primera etapa se ha realizado el aporte del
material sobre el substrato y posteriormente se ha realizado el corte de la geometría exterior de la probeta, para
después realizar los cortes transversales.
(a)
(b)
(c)
Figura 3. (a) Dimensiones de la probeta, según UNE-EN 10002-1.(b) Obtención de probetas por
electroerosión. (c) Ensayo a tracción de una de las probetas
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DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS Y RESULTADOS
Una vez descrito el equipo experimental y el método de fabricación de las probetas, se pasa a describir el diseño
de las pruebas y los resultados obtenidos. Se han realizado cuatro series de ensayos de aporte sobre Inconel 718
con el objeto de estudiar las propiedades mecánicas que se obtienen utilizando diferentes estrategias de aporte.
Dos de las series son probetas que consisten en probetas mitad substrato y mitad material de aporte, mientras que
las otras dos series son probetas fabricadas completamente por material de aporte. Las primeras permiten valorar
la resistencia mecánica de la unión entre el material base y el aportado, teniendo en cuenta la zona afectada
térmicamente en el material base. Además, se han utilizando dos tipos de estrategia: en zig-zag y en espiral. Las
probetas fabricadas únicamente por material de aporte permiten valorar la resistencia de los componentes
fabricados directamente por plaqueado láser. De nuevo se han realizado dos probetas con estrategias diferentes:
tanto en dirección del cordón como en dirección del solape. En la Fig. (4) se pueden observar de forma
esquemática los diferentes tipos de probetas que se han fabricado, mientras que en la Tabla (2) se presentan las
características de las diferentes series. Para estudiar también la dispersión de resultados, se han fabricado y
ensayado tres probetas de cada tipo.
1
2
Material aportado
por plaqueado
3
4
Material aportado
por plaqueado
Substrato
Substrato
Figura 4. Esquema de las estrategias utilizadas en las probetas
Tabla 2. Resumen de las características y estrategias de las probetas.
Serie
1
2
3
4
Referencia
Z
E
T
L
Características Probeta
Probeta aporte – Substrato
Probeta aporte – Substrato
Probeta solo aporte
Probeta solo aporte
Estrategia
Zig-zag
Espiral
Transversal
Longitudinal
Característica Mecánica
Resistencia Unión
Resistencia Unión
Resistencia del cordón
Resistencia del cordón
Los ensayos se han realizado siguiendo la norma UNE-EN 10002-1:2002 con una distancia entre puntos de
Lo  5,65 So
.
El equipo utilizado fue una máquina de ensayo universal Instron 8516 en modo control de carga a una velocidad
de ensayo de 0,32 kN/s. En la Fig. (5) se muestran las gráficas tensión – deformación obtenidas en los ensayos
de tracción de las probetas de aporte y substrato referencias Z y E. Por otro lado, en la Tabla (3) se resumen los
datos obtenidos en estas dos primeras series. Se puede destacar que con las estrategias en Zig-Zag (Z) se
obtienen valores de límite de fluencia Rp0,2 y de tensión de rotura Rm mayores. Por otro lado las probetas
aportadas en espiral (E) tienen un comportamiento más dúctil, mostrando alargamientos mayores antes de la
rotura. Como se puede comprobar también en la Fig. (5), las tres probetas de una misma serie tienen un
comportamiento similar, mostrando cierta dispersión en los resultados de cada grupo de probetas, pero sin
cambiar el comportamiento de forma cualitativa. Esto puede deberse a que cada probeta se extrae de zonas
diferentes del aporte, es decir, los posibles efectos de variación del campo térmico o los efectos de borde pueden
alterar la estructura de cada probeta de tracción.
Evaluación de las propiedades mecánicas de piezas fabricadas por laser cladding en Inconel 718
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Z1
Z2
Z3
E1
E2
E3
E4
Figura 5. Comparación gráficas Tensión – Alargamiento de las probetas en zig-zag (Z) y en espiral (E)
Otra característica importante a estudiar en estas probetas ha sido la resistencia de la unión entre el material de
aporte y el substrato. En todos los casos, las probetas se han roto por la zona de aporte y no se han encontrado
grietas ni indicadores de rotura entre la unión del substrato y el aporte. Se han encontrado referencias que
afirman que debido a la Zona Afectada Térmicamente (ZAT) que se genera en el substrato, la rotura se produce
en esta zona. Sin embargo no ha sido el caso en las probetas ensayadas. Por último, y con el objetivo de dar un
valor de referencia, la tensión última del Inconel 718 en lingote sin recibir ningún tratamiento es de unos 1.0001.100 MPa, mientras que la máxima tensión alcanzada por las probetas fabricadas por plaqueado láser es de 796
MPa. Así, se observa que la tensión última de las probetas fabricadas por plaqueado láser es inferior al 75% en
todos los casos, por lo que es necesario considerar esta reducción de propiedades mecánicas en el diseño de las
piezas fabricadas con este método.
Tabla 3. Resumen de las características y estrategias de las probetas.
Serie
Z
E
Estrategia
Zig-zag
Espiral
Rp0,2 (MPa)
655 - 693
287 - 385
Rm (MPa)
744 - 796
287 -691
A (%)
0,5 - 1,5
0,2 – 8,7
En cuanto a los resultados obtenidos de los ensayos de tracción para las probetas fabricadas únicamente con
material de aporte, se pueden observar los resultados en la Fig. (6) y en la Tabla (4). Se ve claramente que en las
probetas en las que las trayectorias de los cordones están orientadas en la dirección de las fuerzas aplicadas
(estrategia longitudinal, L) se alcanzan valores de resistencia y alargamientos en la rotura superiores a la serie de
probetas T. Estos valores son incluso superiores a los obtenidos en las probetas base - aporte con estrategia de
Zig-Zag. También se puede destacar que con la estrategia transversal (T) se desarrollan grietas en secciones
diferentes a la de rotura (Fig. 7), razón por la que las gráficas tensión-deformación de las probetas T2 y T3
presentan una elongación muy elevada y una tensión decreciente. Los resultados de estos ensayos muestran una
clara anisotropía en las propiedades mecánicas, en función de la orientación de los cordones de aporte con el
esfuerzo. Se puede observar como, a medida que la dirección de los cordones de aporte coincide con la dirección
del esfuerzo realizado, se incrementa la resistencia de las probetas.
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T1
T2
T3
L1
L2
L3
Figura 6: Comparación gráficas Tensión – Deformación de las probetas en transversal (T) y en longitudinal (L)
Tabla 4. Resumen de las características y estrategias de las probetas.
Serie
T
L
Estrategia
Transversal
Longitudinal
Rp0,2 (MPa)
287 - 401
556 - 634
Rm (MPa)
296 - 413
751 -893
A (%)
0,3 – 4,1
2,4 – 5,8
Figura 7: Detalle de grietas en la probeta T-2
Tal y como se ha comentado anteriormente, el estado habitual de las piezas fabricadas en Inconel 718 es en
estado precipitado, tras haber sufrido un tratamiento térmico. Así, con el objetivo de comprobar la mejora que se
obtiene mediante la aplicación de este tratamiento tras el proceso de aporte láser, se han fabricado tres nuevas
series de probetas. Las tres series son probetas que combinan substrato y material de aporte, ya que así se
observará la posible mejora en todos los posibles elementos.
Se ha utilizado una estrategia en zig-zag para las tres series debido a los mejores resultados en los ensayos en
probetas aporte + substrato. A las tres series se les ha aplicado un tratamiento de endurecimiento por precipitado
(también conocido como precipitation hardening o age hardening) que consiste en un calentamiento a 720ºC,
mantener esa temperatura durante 8 horas, y posteriormente realizar un enfriamiento en horno hasta 620ºC,
manteniendo esta temperatura hasta que el tiempo del ciclo completo de precipitado (que es de unas 18 horas).
Posteriormente se realiza un enfriamiento en aire. Una vez realizado el tratamiento, el proceso de fabricación de
las probetas ha sido idéntico al de la primera fase.
En este caso, además, se ha utilizado para cada serie de probetas un rango diferente de tamaño de polvo para
observar si existe alguna variación en la resistencia. En la Tabla (5) se presentan los datos de cada una de las
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series de probetas. Así, se han utilizado tres tamaños de polvo diferentes: La primera serie denominada Serie A,
se ha realizado con un tamaño de polvo entre 80 y 160 µm, el cual es el que se había utilizado para las probetas
sin tratar. Se trata por tanto de un ensayo de referencia con el anterior. Por otro lado, la Serie B se ha realizado
con un tamaño de polvo de 40-110µm y la Serie C con un tamaño de 70-180µm. Nuevamente, se han ensayado 3
probetas por cada Serie, para considerar la posible dispersión. Al igual que en el caso anterior, existe una ligera
dispersión en los resultados, pero se mantienen las tendencias en todos los casos. Los resultados de estos
ensayos, comparando las curvas con las probetas sin tratamiento posterior se muestran en la Fig. (8).
Tabla 5. Resumen de las características las probetas de la segunda fase de ensayos.
Serie Referencia Característica Probeta
1
A
Aporte – material base
2
B
Aporte – material base
3
C
Aporte – material base
Estrategia
Tamaño Polvo
Zig-zag
Zig-zag
Zig-zag
80 -160 µm
40 -110 µm
70 -180 µm
Tratamiento
Precipitado
Precipitado
Precipitado
Figura 8. Gráficas de Tensión – Alargamiento de las probetas en zig-zag (Z) con y sin tratamiento
Lógicamente, tal y como se esperaba, la resistencia de las piezas tratadas es superior a las probetas sin
tratamiento de precipitado. Se observa como se obtiene una tensión última de entre 870 y 1.000 MPa en función
de las diferentes probetas. Se observa también que el tamaño de polvo no tiene una influencia directa en la
resistencia de las piezas, sino que depende más de la calidad del aporte. Por ejemplo, en el caso de las probetas
de la Serie B, se observan una serie de grietas a lo largo de la zona de rotura, que han resultado en una mayor
elongación de la probeta, pero a menor tensión.
CONCLUSIONES
La elección de estrategias de aporte tiene gran influencia en la calidad de las piezas fabricadas por plaqueado
láser. En lo que respecta a probetas aporte más sustrato, se ha observado que con una estrategia en zig-zag se
obtienen mayores valores de límite de fluencia Rp0,2 y de tensión de rotura Rm, pero por otro lado las probetas
aportadas en espiral tienen un comportamiento más dúctil. De esta forma, la selección de una estrategia u otra
puede ser determinante en piezas sometidas a esfuerzo. Otro aspecto que se concluye de la investigación es que
los cordones soportan mayores esfuerzos si están alineados con la fuerza aplicada, presentando un
comportamiento similar al de piezas “fibradas”. Así, en la medida de lo posible, es conveniente alinear los
cordones en la dirección del esfuerzo. De todas formas, se ha observado que la máxima resistencia de las
probetas es del orden del 75% de la resistencia del lingote.
I. Tabernero et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)
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AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se ha realizado gracias al proyecto Manufacturing 0,0 - CIC marGUNE, financiado por el Dpto. de
Industria, Comercio y Turismo del Gobierno Vasco mediante su programa Etortek. También se agradece la
financiación de la estancia de D. Jordi Delgado a la Red R2-TAF: Red temática de tecnologías avanzadas de
fabricación, financiada por el Ministerio de Ciencia e Innovación mediante la Acción Complementaria DPI200802667-E/DPI.
REFERENCIAS
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