Hacer alto

Oct 25, 2023

Laboratorios Nacionales de Idaho, Idaho Falls, ID

Muchas de las tecnologías de alto rendimiento actuales (reactores nucleares, naves espaciales, plantas solares concentradas y celdas de hidrógeno) requieren materiales avanzados. Avanzado significa que están hechos de metales y cerámicas que pueden soportar condiciones extremas o cumplir con especificaciones exigentes.

En el pasado, estos materiales avanzados generalmente se fabricaban a partir de polvo que se vertía en un troquel, se sometía a alta presión y se calentaba lentamente en un proceso llamado prensado en caliente. Sin embargo, el prensado en caliente genera calor residual, lo que contribuye a los altos costos. Esos costos han limitado el uso generalizado de materiales avanzados en las industrias que fabrican artículos cotidianos como los automóviles.

Más recientemente, los ingenieros han desarrollado un proceso de ahorro de costos llamado sinterización por plasma de chispa (SPS). En lugar de calor, SPS envía electricidad a través de la matriz y, a veces, del propio material, para fusionar las moléculas de metales en polvo, cerámica o una mezcla de ambos.

Ahora, el Laboratorio Nacional de Idaho ha desarrollado capacidades de clase mundial para ayudar a la industria a diseñar procesos de fabricación de SPS eficientes. La incorporación más reciente del laboratorio, una de las máquinas más grandes de su tipo en el mundo, hace posible la fabricación de nuevos materiales a escala industrialmente relevante.

"El proceso SPS es mucho más rápido, mucho más eficiente energéticamente y más capaz de mantener las propiedades originales superiores del polvo en la pieza totalmente sinterizada", dijo Troy Holland, científico e ingeniero sénior de materiales SPS en INL.

Es importante mantener las propiedades del material en polvo original debido a los estrictos requisitos de rendimiento de estas piezas. "Si los calienta durante mucho tiempo, a menudo pierde los beneficios que tenía en el polvo original", dijo Holland.

INL ha diseñado y construido cuatro máquinas SPS personalizadas que van desde soportar pequeños experimentos a escala de banco hasta sistemas de escala industrial, gran formato y alto rendimiento.

Como su nombre lo indica, el Nano-SPS es una pequeña máquina que puede fusionar metal o polvo cerámico para fabricar piezas desde escalas nanométricas hasta micrométricas. El Nano-SPS no está diseñado para construir piezas comerciales per se, sino que es una máquina experimental que puede ayudar a los investigadores a predecir y controlar la nanoestructura y la microestructura de un componente al observar cómo fluyen e interactúan los materiales en polvo a una resolución nanométrica.

Los experimentos de difracción de rayos X y neutrones que utilizan la configuración Nano-SPS proporcionan datos en tiempo real sobre la evolución química y de la microestructura durante el proceso SPS.

Comprender cómo interactúan las moléculas de polvo durante SPS, desde enlaces atómicos hasta nanoestructuras locales y microestructuras, es importante porque la variación en estas escalas puede marcar una gran diferencia en el rendimiento.

"Nuestro objetivo es comprender y controlar el proceso lo suficientemente bien como para poder controlar las microestructuras locales de las piezas", dijo Holland, "Esto nos permite minimizar la variación o aprovechar la variación intencional local dentro de la pieza de la manera más repetible posible". producir piezas precalificadas".

La siguiente máquina, la Micro-SPS, puede fabricar piezas desde escalas de aproximadamente un micrómetro hasta un centímetro y también es útil para comprender la evolución microestructural. El Micro-SPS se utiliza para determinar los datos de cinética de sinterización de material a granel. Lo hace al proporcionar ventanas a las herramientas para admitir radiografías de rayos X y de neutrones en tiempo real del procesamiento de SPS a granel.

SPS también es una tecnología emergente para la fabricación de combustibles nucleares avanzados. El Sistema de Sinterización de Plasma por Chispa Radiológica (RSPS) en el Complejo de Materiales y Combustibles de INL es un sistema diseñado a propósito que está integrado dentro de una guantera de trabajo radiológico.

La DCS-800 es una máquina SPS más grande que puede fabricar piezas de hasta un metro cuadrado de tamaño. Ubicado en el Laboratorio de Sistemas de Energía de INL, el DCS-800 opera a alta potencia, altas temperaturas y alta presión. Permite que los materiales que se han descubierto en la escala de banco se demuestren a escalas industrialmente relevantes.

Finalmente, el Roller SPS permitirá a los expertos de INL chispar hojas continuas de material de sinterización de plasma a partir de polvos. Eso significa que pueden fabricar piezas de tamaño ilimitado, al tiempo que reducen aún más el uso de energía y el tiempo de fabricación.

Este artículo fue escrito por Cory Hatch para INL Communications & Outreach. Para obtener más información, póngase en contacto con Ryan Bills en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo.; 208-526-1896.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Tech Briefs.

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