Desafíos y avances en la fabricación aditiva de metales frente a la fragilización por hidrógeno

Introducción

El hidrógeno, como componente central en la transición hacia una economía sostenible, se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales. Sin embargo, su interacción con ciertos materiales metálicos puede causar un fenómeno llamado fragilización por hidrógeno (HE, por sus siglas en inglés). La fragilización por hidrógeno afecta particularmente a los metales utilizados en el transporte y almacenamiento de hidrógeno, especialmente a los aceros, y se traduce en una pérdida de ductilidad y resistencia, comprometiendo la integridad estructural de los componentes.

Bajo este contexto, la fabricación aditiva de metales, surge como una alternativa viable la fabricación de componentes metálicos de alta densidad resistentes a este fenómeno de corrosión con respecto a los elaborados por los métodos tradicionales

La fabricación aditiva (AM), también conocida como impresión 3D, ha ganado gran relevancia por su capacidad de crear estructuras metálicas complejas con procesos como la fusión selectiva por láser (SLM) y la deposición de energía directa (DED). Sin embargo, los metales producidos mediante AM también son susceptibles a la fragilización por hidrógeno, lo que genera desafíos adicionales en su uso en aplicaciones industriales. En este artículo se analizan los principales desafíos y avances que ofrece la fabricación aditiva (AM) para mejorar la resistencia a la HE en componentes metálicos.

Fragilización por Hidrógeno (HE)

La fragilización por hidrógeno es un problema bien documentado que afecta los materiales metálicos de alto rendimiento, como aceros, aleaciones de titanio y superaleaciones. Este fenómeno se caracteriza por la reducción de propiedades estructurales, incluyendo resistencia a la tracción y fatiga, lo cual puede resultar en fallas estructurales inesperadas difíciles de evitar, debido a la entrada de átomos de hidrógeno en los metales (Figura 1), especialmente en ambientes que contienen agua de mar, gas hidrógeno o aire húmedo.

A pesar de la extensa investigación¹ realizada durante más de un siglo, la fragilización por hidrógeno sigue siendo un problema desafiante para los ingenieros y científicos de materiales. Seleccionar o desarrollar materiales adecuados para aplicaciones relacionadas con el hidrógeno es fundamental, especialmente cuando se trata de fabricación aditiva, donde las microestructuras pueden diferir de los metales producidos convencionalmente.

Fabricación aditiva de metales y su potencial en la industria

La fabricación aditiva es un método de manufactura innovador que permite la creación de piezas con alta complejidad geométrica, desde el diseño hasta la entrega de productos finales, reduciendo los desechos en comparación con los métodos tradicionales. Los principales procesos de AM incluyen la fusión de lecho de polvo (PBF) y la Deposición de Energía Directa (DED). Estos métodos se emplean en diversas industrias, como la aeroespacial, automotriz, médica y energética, y han revolucionado la fabricación de componentes metálicos de alta densidad, como aceros, aleaciones de aluminio, titanio y superaleaciones a base de níquel.

Este proceso consigue la realización de las piezas con una cantidad mínima de material, reduciendo los pasos de mecanizado y, por tanto, los costes de producción. Debido al propósito de utilizar este procedimiento de fabricación en la industria, es probable que estas piezas estén sometidas a condiciones y ambientes agresivos.

Sin embargo, la rápida solidificación y los gradientes térmicos intensos inherentes a los procesos AM dan lugar a microestructuras que difieren significativamente de las de los metales fabricados convencionalmente, lo que influye en la susceptibilidad a la fragilización por hidrógeno.

Fragilización por hidrógeno en metales fabricados por AM

La fragilización por hidrógeno en componentes producidos mediante AM ha recibido relativamente poca atención hasta la fecha, aunque se han realizado estudios recientes que sugieren que la susceptibilidad a la HE varía en función del tipo de proceso AM y de la aleación utilizada. Por ejemplo, el acero inoxidable 304L, fabricado mediante Deposición de Metal Directo (DMT), demostró una resistencia superior a la fragilización en comparación con su contraparte producida por laminación en frío. Sin embargo, esta resistencia variaba según la microestructura y las condiciones del entorno.

Este fenómeno se explica en parte por las diferencias microestructurales inherentes a los metales fabricados mediante AM. Las microestructuras de estos materiales suelen ser más heterogéneas y presentan una distribución de tamaño de grano y fases que difiere significativamente de las obtenidas por métodos tradicionales. Estos factores pueden influir en la absorción y difusión del hidrógeno en los metales, incrementando o disminuyendo la susceptibilidad a la HE.

Microestructura y mecanismos de fragilización

En la fabricación aditiva, los procesos de fusión de lecho de polvo y deposición de energía directa generan tasas de enfriamiento rápidas y solidificación direccional, lo que da lugar a microestructuras con mayor densidad de dislocaciones, tamaño de grano refinado y posibles inclusiones no deseadas. Estas microestructuras pueden actuar como sitios de absorción y acumulación de hidrógeno, acelerando el proceso de fragilización.

El comportamiento frente a la HE de las aleaciones metálicas producidas por AM se ve afectado por factores como el tipo de proceso, las condiciones de tratamiento térmico y el tipo de aleación. La susceptibilidad a la HE en aceros inoxidables, aleaciones de titanio y superaleaciones a base de níquel es especialmente crítica debido a su uso en aplicaciones de alta exigencia, como la aeroespacial y la médica.

Avances en la resistencia a la fragilización mediante AM

Existen varias estrategias para mejorar la resistencia a la fragilización por hidrógeno en metales AM, como el ajuste de parámetros del proceso de fabricación, la optimización de tratamientos térmicos, postprocesamiento y la incorporación de simulación y modelado computacional. Estos enfoques permiten prever cómo los parámetros de fabricación afectan la microestructura y, por ende, la resistencia a la fragilización por hidrógeno.

La investigación actual se enfoca en desarrollar aleaciones resistentes al hidrógeno y en ajustar las condiciones de procesamiento de AM para controlar la absorción de hidrógeno en los componentes metálicos. Además, el modelado y la simulación avanzados permiten comprender los mecanismos físicos subyacentes y optimizar el diseño de piezas fabricadas mediante AM.

En este contexto, actualmente se llevan a cabo investigaciones para evaluar el comportamiento de los metales fabricados mediante Manufactura Aditiva (AM) frente a la corrosión. Un estudio reciente examinó el efecto de un bajo contenido de hidrógeno en el agrietamiento asistido por hidrógeno (HAC) en acero inoxidable martensítico 17-4 (SS)², producido mediante AM. Los resultados de la microscopía electrónica (figura 2) muestran que las muestras convencionales (CM) presentan un agrietamiento más severo que las fabricadas mediante AM, indicando una mayor resistencia a HAC en las muestras AM.

Este fenómeno se atribuye a una mayor cantidad inicial de austenita retenida y la ausencia de fases frágiles de nitruro. La fase dúctil de austenita puede obstruir la punta de la grieta y actuar como una trampa efectiva de hidrógeno debido a su mayor solubilidad para este elemento. Además, la presencia de austenita en la matriz reduce la densidad de dislocaciones y las tensiones internas, mejorando así la resistencia del material frente al HAC.

Otro estudio realizado para comparar la resistencia a la fragilización por hidrógeno en acero inoxidable 316 L fabricado mediante manufactura aditiva (AM) y convencional (CM). Los resultados obtenidos mostraraon que la muestra de acero inoxidable 316 L fabricada mediante manufactura aditiva en la condición de prensado isostático en caliente (HIP) demostró mejor resistencia a la fragilización por hidrógeno, en comparación con el material fabricado de manera convencional (CM), especialmente a -50 °C³.

Ambas investigaciones resaltan el potencial de la manufactura aditiva para mejorar la resistencia de los materiales metálicos a la fragilización por hidrógeno. En particular, el acero inoxidable procesado mediante técnicas avanzadas como el prensado isostático en caliente (HIP) mostró una ductilidad superior frente al material fabricado convencionalmente, incluso en condiciones de baja temperatura y en presencia de hidrógeno. Los resultados obtenidos de diferentes investigaciones en esta area subrayan cómo el control microestructural logrado mediante la manufactura aditiva permite desarrollar materiales más resistentes y adaptados para aplicaciones en entornos críticos, marcando un avance significativo en la ingeniería de materiales.

Manufactura Aditiva: El futuro de los materiales metálicos resistentes a la fragilización por hidrógeno

La manufactura aditiva está cambiando la estructura metálica de los materiales metálicos, especialmente en el control de la fragilización por hidrógeno, un fenómeno que compromete la integridad y durabilidad de los metales en aplicaciones críticas. Este proceso permite crear estructuras metálicas con geometrías complejas y microestructuras optimizadas, lo que facilita el diseño de materiales menos susceptibles a la fragilización.

Mediante la manufactura aditiva, es posible ajustar parámetros de proceso como la velocidad de enfriamiento, la distribución de granos y la porosidad del material, factores clave en la resistencia a la fragilización por hidrógeno. Además, las técnicas aditivas ofrecen la capacidad de integrar gradientes de composición y fases metálicas específicas para reducir las zonas vulnerables a la penetración de hidrógeno.

Asimismo, la manufactura aditiva abre nuevas oportunidades en el desarrollo de aleaciones avanzadas y recubrimientos específicos que mitiguen los efectos del hidrógeno. Estos avances están impulsando la creación de piezas metálicas con una vida útil prolongada y una mayor seguridad en sectores como el petróleo, gas, energía y la industria aeroespacial, donde el control de la fragilización por hidrógeno es fundamental para prevenir fallos catastróficos.

Conclusiones

La fabricación aditiva ofrece importantes oportunidades para la creación de componentes complejos y personalizados, aunque la fragilización por hidrógeno plantea desafíos considerables en su aplicación en entornos donde el hidrógeno es abundante. Comprender y controlar la microestructura de los metales fabricados mediante AM es fundamental para minimizar la susceptibilidad a la HE.

A medida que la tecnología de AM continúa avanzando, el desarrollo de aleaciones más resistentes al hidrógeno y la optimización de los parámetros de fabricación desempeñarán un papel importante en la mejora de la fiabilidad de los componentes metálicos en aplicaciones industriales.

Referencias

1. Eugene BroermanIII,Peter Renzi; “Hydrogen Embrittlement”; From: Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2022.
2. Guy Ben-Hamu, Polina Metalnikov, Dan Eliezer; “The effect of low hydrogen content on hydrogen embrittlement of additively manufactured 17–4 stainless steel”; Progress in Additive Manufacturing (2024) 9:1319–1330.
3. G. Álvarez, Z. Harris, K. Wada; “Hydrogen embrittlement susceptibility of additively manufactured 316L stainless steel: influence of post-processing, printing direction, temperature and pre-straining”; physics.chem, 14 Nov 2023.