25 de septiembre de 2025.- Científicos estadounidenses prueban aceros impresos en 3D tratados térmicamente para reactores nucleares de próxima generación.
El conocimiento guiará el diseño de componentes de reactores nucleares de próxima generación.
El acero es uno de los componentes más esenciales para la industria de la energía nuclear, entre otras. En los reactores nucleares, se utiliza para reforzar las paredes y componentes cruciales.
El acero de los reactores nucleares soporta calor, presión e irradiación extremos durante un período prolongado de tiempo.
La impresión 3D o fabricación aditiva ofrece una forma de producir piezas de acero inoxidable más complejas con mayor eficiencia y flexibilidad de diseño. Sin embargo, el proceso de impresión 3D puede dejar defectos en las estructuras microscópicas de las piezas de acero, lo que afectaría su rendimiento en reactores nucleares.
La industria nuclear necesita una comprensión más profunda del acero impreso en 3D y cómo se puede controlar su fabricación.
Por lo tanto, los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) utilizaron difracción de rayos X y microscopía electrónica en dos estudios para investigar aceros fabricados con un proceso de fabricación aditiva llamado fusión de lecho de polvo láser (LPBF).
Impresión 3D de acero inoxidable para piezas de reactores nucleares
El primer estudio en el Laboratorio Nacional de Argonne se centró en el acero inoxidable 316H, un tipo consolidado de acero inoxidable para componentes estructurales en reactores nucleares. El segundo se centró en la aleación 709 (A709), una aleación más reciente diseñada para aplicaciones avanzadas en reactores nucleares.
Utilizando el proceso de impresión 3D LPBF, los científicos imprimieron muestras de las dos aleaciones de acero inoxidable que son de interés para la industria de la energía nuclear.
En el LPBF, un láser funde los diseños en polvo metálico capa por capa para construir un objeto metálico sólido tridimensional. El rápido calentamiento y enfriamiento del láser crea características únicas en las microestructuras del acero.
Los aceros impresos pueden presentar un alto número de dislocaciones, lo que provoca que un patrón consistente en la estructura del material se altere repentinamente. Las dislocaciones refuerzan el acero, pero también lo hacen más vulnerable a las fracturas. El tratamiento térmico se utiliza para aliviar esta tensión.
La alta temperatura durante el tratamiento térmico permite que los átomos se desplacen y reparen las dislocaciones, pero mantener algunas dislocaciones puede ser beneficioso ya que podrían mejorar el rendimiento de un material.
Los estudios revelaron diferencias importantes entre los aceros impresos y sus homólogos forjados (o de producción convencional). Revelaron cómo el acero impreso en 3D respondía a los tratamientos térmicos que se suelen utilizar para materiales forjados.
“Nuestros resultados servirán de base para el desarrollo de tratamientos térmicos a medida para aceros fabricados mediante fabricación aditiva”, afirmó Srinivas Aditya Mantri, científico de materiales de Argonne y coautor de ambos estudios . “También aportan conocimientos fundamentales sobre aceros impresos que ayudarán a guiar el diseño de componentes para reactores nucleares de nueva generación”.
Diferencia entre el 316H impreso en 3D y el forjado para una planta nuclear
Los investigadores compararon las microestructuras de muestras forjadas e impresas con LPBF de 316H en el estudio utilizando las capacidades del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, que incluye microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión de barrido.
También realizaron experimentos de difracción de rayos X in situ; en la línea de haz 1-ID, el equipo examinó las muestras con rayos X de alta energía mientras se sometían a variaciones de un tratamiento térmico llamado recocido en solución.
Los experimentos demostraron que la recuperación y la recristalización se vieron inhibidas por los nanoóxidos, defectos a nanoescala comunes en los materiales impresos en 3D.
Los investigadores tomaron los datos estructurales detallados que obtuvieron en el CNM y APS y los relacionaron con las propiedades mecánicas, incluida la resistencia bajo tensión y la resistencia a la fluencia.
La nueva aleación A709
El otro estudio sobre A709 marcó la primera mirada experimental a una forma de aleación fabricada de forma aditiva.
Los investigadores utilizaron las capacidades del CNM (incluidos SEM y microscopía electrónica de transmisión) para observar en profundidad el interior de muestras de A709 impreso y forjado durante múltiples tratamientos térmicos.
El equipo estudió la resistencia a la tracción de las muestras tratadas térmicamente. Tanto a temperatura ambiente como a 550 grados Celsius (temperatura relevante para aplicaciones de reactores rápidos de sodio), el A709 impreso mostró mayor resistencia a la tracción que el A709 forjado.
Esto probablemente se debió a que las muestras impresas comenzaron con más dislocaciones, lo que también promovió la formación de más precipitados durante el tratamiento térmico, según un comunicado del laboratorio.
«Nuestra investigación proporciona recomendaciones prácticas sobre cómo tratar estas aleaciones», afirmó Zhang, «pero creo que nuestra mayor contribución es una mayor comprensión fundamental de los aceros impresos».
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