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Protocolo estandarizado de deposición de metales láser para la evaluación tribológica de compuestos de matrizTI 6Al 4V modificados en cerámica

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DOI:

10.3791/70083

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29 de mayo de 2026

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1Department of Mechanical Engineering, Durban University of Technology, 2Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Cape Peninsula University of Technology

En este artículo

Resumen

Este protocolo estandariza la deposición láser de metal para fabricar compuestos de matriz cerámica modificadaTI 6Al 4V reforzados con B₄C y BN. Integra deposición controlada, caracterización microestructural, pruebas de dureza y evaluación del desgaste por deslizamiento seco para correlacionar sistemáticamente la entrada de energía láser con la retención del refuerzo y el rendimiento tripológico.

Resumen

Este protocolo describe un método de deposición láser de metales para crear compuestos modificados de matriz de titanio-6Aluminio-4Vanadio (TI 6Al4V) reforzados con carburo de boro y nitruro de boro para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste. El enfoque consiste en promover la formación de fases in situ mientras se conservan partículas cerámicas parcialmente sin fundir para un refuerzo efectivo. El proceso integra la interacción controlada láser-material para permitir reacciones químicas y preservar las fases cerámicas dentro de la matriz de titanio. La fabricación en compuestos se realiza mediante un sistema de deposición láser de metales (LMD) con deposición láser de energía dirigida (DED) con un mecanismo de alimentación coaxial de polvo para una entrega uniforme de polvo y una mayor estabilidad de la piscina de fusión. Este método permite una evolución microestructural adaptada mediante refuerzo impulsado por reacciones y refuerzo de partículas. A diferencia de las técnicas tradicionales de ingeniería superficial, este método ofrece unión metalúrgica, control composicional durante la deposición y manipulación microestructural mediante ajuste de entrada de energía. Se produjeron capas compuestas a 1400 W y 2000 W con velocidad de barrido y velocidad de alimentación en pólvora constantes. Se realizaron pruebas de microdureza (HV0,5) y ASTM G99 con desgaste deslizante en seco con cargas de 15 N y 25 N. Las muestras producidas a 1400 W mostraron una dureza media mayor y un menor volumen de desgaste que las producidas a 2000 W. El protocolo establece un enfoque sistemático estándar para correlacionar la densidad de energía láser con la retención de refuerzos, el desarrollo de microestructuras y el rendimiento tripológico.

Introducción

La fabricación aditiva es un método potente para crear aleaciones y compuestos basados en titanio con microestructuras y propiedades mecánicaspersonalizadas 1,2. La deposición de metales por láser (LMD) y la deposición selectiva de metales por láser (SLMD) son procesos de deposición de energía dirigida que permiten la entrega precisa de polvos metálicos o compuestos en una piscina de fusión generada por láser para su fabricación y unión capa por capa al sustrato. Titanio–6Aluminio–4Vanadio (TI 6Al4V) sigue siendo una de las aleaciones de titanio más utilizadas en aplicaciones aeroespaciales, biomédicas e industriales debido a su alta resistencia específica, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad3–5. Sin embargo, a pesar de sus favorables propiedades mecánicas a granel, elTI 6Al4Vpresenta una dureza moderada y una resistencia al desgaste relativamente baja bajo condiciones de contactodeslizante 6,7.

Investigaciones previas utilizando deposición láser de metales y procesos relacionados de deposición de energía dirigida han demostrado que los parámetros de procesamiento láser influyen fuertemente en la microestructura, la formación de fases y el comportamientomecánico 8,9. También se han empleado estrategias de ingeniería superficial, incluyendo el tratamiento láserde superficies 10, nitrurización, recubrimientos y revestimientos láserconvencionales 11,12,13,14,15,16, para mejorar la dureza superficial y la resistencia al desgaste. Sin embargo, los tratamientos basados en difusión suelen producir capas finas y modificadas con capacidad de carga limitada, mientras que los recubrimientos unidos mecánicamente pueden ser susceptibles a grietas o delaminación bajo altos esfuerzos de contacto. Además, muchos estudios de procesamiento láser reportan una mejora en la dureza o el desgaste sin proporcionar una guía procedimental detallada que vincule los parámetros del láser con la retención del refuerzo, la evolución de la fase y la respuesta tribológica. Estas limitaciones restringen su uso en componentes sometidos a fricción severa, cargas de contacto repetitivas o ambientesabrasivos 17.

El LMD ofrece ventajas sobre los sistemas de lecho de pólvora, como la flexibilidad en la composición de la materia prima, la adición localizada de refuerzos y el control de la entrada de energía en tiempo real, lo que lo hace ideal para crear superficies y compuestos de matriz metálicamodificados funcionalmente 18,19,20,21,22,23. La Figura 1 ilustra una visión general del proceso de deposición metálica láser (LMD) que muestra la entrega de polvo coaxial, la formación de pozas de fusión, la zona de revestimiento, la zona de fusión y la zona afectada por el calor con pistas superpuestas al 50%. El protocolo presentado aquí aborda esta brecha proporcionando un método reproducible para fabricar compuestos modificados de matriz de titanio mediante deposición láser de metales y correlacionando sistemáticamente la entrada de energía láser con el desarrollo microestructural y el comportamiento de desgaste. El flujo de trabajo integra la preparación de polvos, la deposición láser, la caracterización microestructural, las pruebas de dureza y la evaluación tribológica. Al controlar la potencia láser durante la deposición, el método permite ajustar la dinámica de la piscina de fusión, la dilución, la descomposición del refuerzo y la formación de fases in situ, que en conjunto influyen en la dureza y el rendimiento del desgaste. La Figura 2 ilustra los mecanismos de desgaste dominantes típicamente observados en el monolíticoTI 6Al4V, proporcionando contexto para evaluar sistemas reforzados.

Las estrategias de refuerzo modificadas han mostrado potencial para mejorar las propiedades mecánicas y tribológicas de las aleaciones de titanio combinando múltiples fases cerámicas 23,24,25. En este protocolo, el carburo de boro (B₄C) y el nitruro de boro (BN) se incorporan como refuerzos durante la deposición de metales por láser. El carburo de boro proporciona una alta dureza intrínseca y promueve la formación in situ de carburo de titanio (TiC) durante el procesamiento láser, mientras que el nitruro de boro contribuye a la formación de nitruro de titanio (TiN) y puede aportar efectos de lubricación sólida durante eldeslizamiento 26,27,28. En comparación con la nitruración y los recubrimientos convencionales, el enfoque actual basado en láser produce una capa reforzada con unión metalúrgica en lugar de una película superficial limitada por difusión o adherida mecánicamente. A diferencia de los procesos tradicionales de revestimiento, la incorporación de refuerzos y la formación de fases ocurren in situ. y pueden controlarse directamente ajustando la potencia del láser, permitiendo una evaluación sistemática de la evolución microestructural y la respuestatribológica 28,29. La selección de potencia del láser es especialmente crítica, ya que regula la temperatura de la piscina de fusión, la disolución del refuerzo, la formación de porosidad y el desarrollo de tensionesresiduales 30,31. La introducción simultánea de estos refuerzos permite un reforzamiento combinado y modificación por fricción dentro de la capa compuestadepositada 32,33,34.

El objetivo general de este protocolo es permitir a investigadores e industria fabricar compuestos modificados de matrizTI 6Al4V mediante deposición láser de metal y evaluar cuantitativamente cómo las variaciones controladas en la potencia láser influyen en la microestructura, dureza y comportamiento de desgaste. Este método es adecuado para investigadores que buscan mejorar el rendimiento superficial de aleaciones de titanio para componentes aeroespaciales, implantes biomédicos y sistemas deslizantes de alta carga que requieren mayor dureza y resistencia al desgaste.

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Protocolo

1. Preparación de materiales (Tabla de materiales)

  1. Preparar sustratos TI6Al4V
    1. Corta placas TI6Alde 4V a dimensiones de 102 mm × 102 mm × 7 mm utilizando una máquina de corte abrasiva de precisión.
    2. Muele las superficies del sustrato de forma secuencial utilizando papeles de carburo de silicio (SiC) de grano 240, 400, 600 y 800 bajo agua corriente para eliminar óxidos y marcas de mecanizado.
    3. Arenar las superficies usando partículas de alúmina de 120 μm a 0,4 MPa durante 60 s para aumentar la rugosidad superficial.
    4. Limpia los sustratos con acetona durante 10 minutos usando agitación ultrasónica.
    5. Seca los sustratos con aire comprimido.
    6. Guarda los sustratos limpios en un desecador hasta la deposición.
  2. Prepara polvo compuesto híbrido (estrategia de alimentación en tres polvos)
    1. Pesa gas atomizado polvoTI 6Al4V (15–53 μm), polvo de carburo de boro (B₄C) (5–20 μm) y polvo hexagonal de nitruro de boro (BN) (1–10 μm) según la fracción de peso deseada.
    2. Conecta un sistema de alimentación con tercera tolva .
    3. Carga el polvo compuesto mezclado en un sistema de alimentación de tres tolvas .
    4. Establece la tasa total de alimentación en pólvora a 10 g/min para la deposición.

2. Fabricar un compuesto mediante deposición láser de metal

PRECAUCIÓN: La deposición de metal láser utiliza radiación láser de alta potencia y metal fundido. Los operadores deben llevar gafas de seguridad láser y ropa protectora. Opera el sistema en un entorno controlado con una ventilación adecuada.

  1. Configurar el sistema de deposición de metales por láser
    1. Utiliza un sistema de deposición láser de metal (LMD) equipado con un láser de fibra de alta potencia y una tobera coaxial de liberación de polvo.
    2. Monta el sustrato TI6Al 4V de forma segura en la plataforma de construcción.
    3. Establece un blindaje de argón a 15 L/min para evitar la oxidación durante el procesado.
    4. Ajusta el diámetro del punto láser a 2,5 mm.
    5. Ajusta la velocidad de escaneo a 1,0 m/min.
  2. Capa compuesta de depósito
    1. Configura la potencia del láser a 1400 W.
    2. Suministrar el polvo compuesto a una tasa de 10 g/min a través de tres alimentadores coaxiales tolva.
    3. Aplica una capa de revestimiento con un 50% de solapamiento entre las pistas.
    4. Mantener una distancia de distancia constante y un flujo de pólvora constante durante toda la deposición.
    5. Deja que las muestras depositadas se enfríen de forma natural a temperatura ambiente bajo un blindaje continuo de argón.

3. Preparar muestras metalográficas

PRECAUCIÓN: El ácido fluorhídrico (HF) es altamente corrosivo y tóxico, y todos los residuos que contengan HF deben neutralizarse y eliminarse conforme a los protocolos institucionales de seguridad de productos químicos peligrosos.

  1. Realiza todos los procedimientos de grabado dentro de una campana extractora certificada para químicos.
    1. Lleva guantes resistentes al ácido, pantalla facial y bata durante el manipulación.
    2. Sumerge la muestra pulida en el reactivo durante 10–15 segundos.
    3. Enjuaga inmediatamente con agua destilada.
    4. Seca con aire caliente.
  2. Muestras de sección y montaje
    1. Seccionar las muestras fabricadas perpendicularmente a la dirección del revestimiento usando una cortadora de precisión.
    2. Monta las secciones en resina de montaje conductora.
  3. Muestras de molienda y pulido
    1. Moler las muestras montadas secuencialmente usando papeles SiC de grano 240, 400, 600, 800 y 1200.
    2. Pulir las muestras utilizando suspensiones de diamante de 6 μm, 3 μm y 1 μm.
    3. Enjuaga las muestras pulidas con etanol.
    4. Seca las muestras con aire caliente.
  4. Muestras de grabado
    1. Prepara el reactivo de Kroll mezclando 2 mL de ácido fluorhídrico, 6 mL de ácido nítrico y 92 mL de agua destilada.

4. Realizar caracterización microestructural y de fase

  1. Realiza microscopía óptica.
    1. Examina las muestras grabadas con un microscopio óptico.
    2. Identifica la zona del revestimiento, la zona de fusión y la zona afectada por el calor.
  2. Realizar microscopía electrónica de barrido (SEM)
    1. Acciona el microscopio electrónico de barrido a un voltaje acelerado de 15–20 kV.
    2. Analizar la distribución de refuerzos, la unión interfacial y las características microestructurales.
  3. Difracción de rayos X conducida (XRD)
    1. Realizar la XRD usando radiación Cu-Kα (λ = 1,5406 Å).
    2. Escanea en un rango de 2θ de 20°–90° con un paso de 0,02°.
    3. Identificar las fases utilizando bases de datos estándar de difracción.

5. Medir la microdureza

  1. Calibra el tester de microdureza Vickers antes de la prueba.
  2. Realiza pruebas de dureza Vickers usando una carga de 500 g aplicada durante 15 s. Mide en cinco puntos equidistantes a lo largo de la sección transversal revestida.
  3. Realiza al menos cinco hendiduras a lo largo de la línea central del revestimiento.
  4. Mantener un espaciamiento mínimo de tres veces la diagonal de hendidura entre las hendiduras adyacentes.
  5. Calcula e informa del valor medio de dureza.

6. Realizar pruebas de desgaste deslizante en seco

  1. Utiliza un tribómetro de bola recíproca sobre disco.
  2. Selecciona un cuerpo de contador de carburo de tungsteno de 6 mm de diámetro.
  3. Aplica una carga normal de 15 N.
  4. Ajusta la velocidad de deslizamiento a 0,1 m/s.
  5. Mantén un radio de desgaste de 5 mm.
  6. Realizar la prueba para una distancia total de deslizamiento de 1000 m en condiciones secas y a temperatura ambiente.
  7. Registrar el coeficiente de fricción de forma continua durante las pruebas.
  8. Mide las dimensiones de desgaste de las pistas usando SEM y perfilometría superficial.
  9. Calcula el volumen de desgaste y la velocidad de desgaste usando relaciones geométricas.

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Resultados

Caracterización microestructural
La deposición láser de metal produjo capas continuas de revestimiento unidas metalúrgicamente a los sustratos TI6Al4V tanto a 1400 W como a 2000 W. La Figura 3 muestra una micrografía representativa de SEM del compuesto híbrido TI6Al 4V+ B₄C + BN fabricado a 2000 W. Se observaron zonas distintas de revestimiento, fusión y afectadas por el calor (HAZ). El HAZ pres...

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Discusión

Este protocolo demuestra la influencia de la potencia láser en la microestructura, formación de fases, dureza y rendimiento de desgaste en compuestos modificadosTI 6Al 4Vreforzados con carburo de boro y nitruro de boro. La muestra fabricada a 1400 W mostró una dureza media de 572,0 ± SDHV 0,5 (n = 5), en comparación con 538,2 ± SD HV0,5 (n = 5) a 2000 W, lo que corresponde a un aumento aproximado del 6% en la dureza a menor potencia láser. Ambo...

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Divulgaciones

Los autores no tienen conflictos de interés relacionados con este trabajo y no utilizaron ninguna herramienta de escritura con IA.

Agradecimientos

Los autores agradecen con gratitud el apoyo de la Universidad Tecnológica de Durban.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Aleación Ti-6Al-4V (Sustrato)Ti– 6 en peso Al– 4 peso VPlaca (102 y multiplicada por 102 y por 7 mm)Sustrato base para deposición láser de metales
Ti-6Al-4V PolvoTi&ndash atomizado por gas; 6Al– 4V15– 53 & micro; M polvoMaterial matricial para revestimiento compuesto
Carburo de boro (B4C)Cerámica B4C5– 20 & micro; M polvoRefuerzo duro primario; Mejora la dureza y la resistencia al desgaste
Nitruro de boro hexagonal (BN)Cerámica h-BN1– 10 & micro; M polvoRefuerzo secundario; Refinado de grano y reducción de desgaste
Mezcla en polvo compuesta3,8 % en peso Ti-6Al-4V + 0,1% en peso B4C + 0,1 peso en peso BNPolvo mezclado de forma homogéneaMateria prima para matriz compuesta híbrida TI6Al4V
Blindaje / Gas portadorArgón (99,99% de pureza)GasPreviene la oxidación durante la deposición láser
Material del contracuerpoCarburo de tungsteno (WC)Bola de 6 mm de diámetroContrafacio para pruebas de desgaste deslizantes en seco
Medios abrasivosCarburo de silicio (SiC)240– Papeles de grano 1200Rectificado y preparación superficial
Medios de arenadoAlúmina (Al2O3)~120 & micro; m partículasRugosidad superficial antes de la deposición
Agente de Control de ProcesosEtanolLíquidoPreviene la aglomeración de polvo durante el fresado de bolas
GrabadoKroll' s Reactivo (HF + HNO3 + H2O)Solución químicaRevela microestructura para el análisis metalográfico

Referencias

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