Allo Skoltech stampano in 3D campioni di leghe di bronzo-acciaio

L’improbabile unione di bronzo e acciaio stampati in 3D è promettente per i motori a reazione
 
I ricercatori di Skoltech hanno utilizzato una stampante 3D per fabbricare campioni di leghe di bronzo-acciaio precedentemente sconosciute alla scienza dei materiali e ne hanno studiato le caratteristiche meccaniche. Unendo le proprietà distinte del bronzo e dell’acciaio, le nuove leghe potrebbero essere utilizzate per fabbricare camere di combustione per motori di aerei e razzi che beneficerebbero contemporaneamente della capacità dell’acciaio di resistere a temperature estreme e della capacità del bronzo di allontanare il calore dalla camera e quindi impedire al motore di dal surriscaldamento. Lo studio è uscito su Materials & Design .

Regioni alternate di bronzo e acciaio nella lega bronzo-acciaio prodotta dai ricercatori Skoltech. La distanza corrispondente a un’unità sul righello sovrapposto è di 0,1 millimetri. Credito: Konstantin Makarenko et al./Materiali e design
“La stampa 3D è promettente per la produzione di parti composite, dotate delle proprietà dei due materiali distinti che compongono il composito”, ha spiegato il professore associato Igor Shishkovsky di Skoltech Materials. “Si consideri, ad esempio, che l’acciaio è resistente alle alte temperature create dalla combustione del carburante in un motore in funzione. Questo è fantastico, ma rispetto al bronzo, l’acciaio è un modesto conduttore termico, quindi il liquido di raffreddamento del motore non può aspirare il calore da esso in modo efficace per evitare surriscaldamento e danni. Bene, con la stampa 3D, puoi effettivamente ottenere il meglio da entrambi i mondi producendo una camera di combustione che passa senza soluzione di continuità dall’essere in bronzo all’interno per una migliore gestione della temperatura all’essere in acciaio all’esterno per tenere insieme la struttura.

Shishkovsky è stato il principale investigatore dello studio che ha riportato la prima sintesi in assoluto di una lega bronzo-acciaio utilizzando una tecnica di stampa 3D chiamata deposizione laser diretta, che fonde e fonde gli ingredienti in polvere mediante un raggio laser in ogni punto successivo della parte metallica appena mentre viene creato. Il team di Skoltech ha infatti unito bronzo e acciaio in due modi diversi, ottenendo sia leghe cosiddette quasi omogenee che strutture a sandwich. Nel primo, i due materiali sono mescolati più o meno uniformemente in tutto il campione, mentre il secondo è costituito da una serie di strati alternati di bronzo e acciaio dello spessore di 0,25 millimetri. I ricercatori hanno utilizzato un tipo di acciaio ma ne hanno variato il contenuto nella lega dal 25% al ​​50% e hanno sperimentato tre diverse varietà comuni di bronzo.

Lo studio ha confermato che i due materiali si fondono bene, senza che si formino difetti, e ha indagato le proprietà strutturali e meccaniche della lega bronzo-acciaio. Per fare ciò, il team ha fatto crescere le barre verticali dal basso verso l’alto e ne ha esaminato la forma, la composizione chimica e la microstruttura. “Quando qualcosa va storto, la forma del campione potrebbe essere visibilmente distorta o potrebbe rompersi in strati durante la stampa 3D. Questo di solito significa che i materiali utilizzati non sono adatti o che le condizioni non sono state impostate correttamente”, ha spiegato Shishkovsky. Non riscontrando problemi in questa fase, i ricercatori hanno proceduto a ritagliare minuscoli pezzi da diverse parti dei campioni e hanno studiato la loro struttura interna con microscopia elettronica ottica e a scansione. Le principali caratteristiche meccaniche sono state poi ricavate in un’ampia gamma di prove meccaniche di compositi sandwich proseguite fino alla loro distruzione. Queste proprietà vengono segnalate per la prima volta.

Il primo autore dello studio Konstantin Makarenko, uno studente di dottorato del quarto anno presso Skoltech Materials, ha dichiarato: “Ora che abbiamo confermato che l’acciaio e il bronzo possono essere combinati in una lega e sono compatibili con la stampa 3D tramite deposizione laser diretta, e conosciamo il caratteristiche meccaniche del nuovo materiale, possiamo esplorarne le possibili applicazioni. Guardando avanti, mi piacerebbe produrre e testare una camera di combustione acciaio-bronzo alla Skoltech, ma oltre a questo, sono possibili altri oggetti e si potrebbero usare altre combinazioni di metalli. Il passo successivo sarebbe quello di creare pale di turbina realizzate in una superlega rinforzata con canali di raffreddamento in bronzo. Si tratta di combinare i vantaggi di due materiali distinti in un unico prodotto senza saldature o altre giunture”.