Ricercatori del Centre for Additive Manufacturing (CfAM) dell’Università di Nottingham, in collaborazione con il Manufacturing Technology Centre (MTC) e Autodesk Research, hanno analizzato come l’orientazione e la sequenza dell’interfaccia influenzino difetti e microstruttura in parti bi‑metalliche realizzate tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF) con le leghe IN718 e GRCop‑42. Lo studio, pubblicato su Additive Manufacturing Letters, è mirato ad applicazioni aerospaziali come le camere di combustione di motori a razzo, dove è necessario combinare elevata resistenza meccanica alle alte temperature e forte capacità di dissipazione termica nello stesso componente.
Perché combinare IN718 e GRCop‑42 in LPBF
La superlega IN718 è largamente utilizzata per pale di turbina, componenti di motori aeronautici e parti soggette ad alte temperature grazie alla sua resistenza meccanica, stabilità strutturale e buona resistenza alla corrosione, ma ha una conducibilità termica relativamente bassa. Al contrario, GRCop‑42, sviluppata per applicazioni spaziali, è una lega a base rame con cromo e niobio progettata per offrire elevata conducibilità termica e buona resistenza alla fatica termica, risultando adatta per camicie di combustione raffreddate e ugelli di razzo stampati in 3D. La combinazione di queste due leghe in un singolo componente consente di ottenere zone strutturali ad alta resistenza e regioni a elevata dissipazione termica, riducendo pesi e numero di giunzioni tradizionali. Tuttavia, l’interfaccia tra materiali con proprietà termiche e metallurgiche così differenti è critica, perché fenomeni come porosità da mancanza di fusione, fasi indesiderate o tensioni residue localizzate possono compromettere l’affidabilità del componente.
Impostazione sperimentale: LPBF multi‑materiale con deposizione selettiva di polveri
I campioni sono stati prodotti con un sistema AconityMIDI+ LPBF, equipaggiato con un laser a fibra di itterbio continuo da 1 kW e diametro spot di circa 80 µm. Per la gestione multi‑materiale è stato impiegato un rullino di deposizione a Selective Powder Deposition (SPD) sviluppato per posizionare in modo controllato le polveri di IN718 e GRCop‑42 in regioni distinte all’interno di ogni singolo strato, durante un’unica passata di ricopertura. I ricercatori hanno realizzato tre tipologie principali di interfaccia tra IN718 e GRCop‑42: interfacce orizzontali, perpendicolari alla direzione di costruzione; interfacce verticali, parallele alla direzione di costruzione; interfacce inclinate a 45°, come caso intermedio. Per ciascuna geometria sono state studiate due varianti: sequenza di deposizione invertita (IN718 su GRCop‑42 e GRCop‑42 su IN718) e diverse direzioni di ricopertura rispetto al piano di interfaccia, in modo da valutare congiuntamente effetto di sequenza, orientazione e direzione di stesura della polvere.
Interfacce orizzontali: effetto della sequenza di deposizione sui difetti di fusione
Sulle interfacce orizzontali, l’ordine con cui veniva depositata la lega ha avuto un impatto diretto sulla comparsa di difetti. Quando gli strati di IN718 erano costruiti sopra un substrato di GRCop‑42, si sono osservati difetti di mancanza di fusione con particelle di IN718 non completamente fuse lungo l’interfaccia, evidenziati da immagini in backscatter. La spiegazione è legata alla conducibilità termica elevata di GRCop‑42, che dissipa rapidamente il calore del bagno di fusione riducendone temperatura e profondità e impedendo una corretta coalescenza della superlega di nichel. Per mitigare questi difetti è possibile aumentare in modo mirato la potenza laser nei primi strati di IN718 sopra GRCop‑42, ristabilendo un regime di fusione adeguato e riducendo la porosità da mancanza di fusione. Quando la sequenza è invertita, con GRCop‑42 depositato su IN718, non si osserva la stessa tipologia di difetto all’interfaccia.
In questo secondo scenario, le analisi mostrano una miscelazione più intensa delle leghe nella zona di transizione, con formazione di regioni miste. La diffrazione a raggi X evidenzia la comparsa di una fase α‑Cr in aree ricche di rame sopra la linea di transizione, mentre le mappe EBSD rivelano un raffinamento del grano e fenomeni di crescita epitassiale a cavallo dell’interfaccia.
Interfacce verticali e inclinate: ruolo decisivo della direzione di ricopertura
Per le interfacce verticali e inclinate, il fattore dominante è la relazione tra piano di interfaccia e direzione di ricopertura. Quando il piano di interfaccia è perpendicolare alla direzione di ricopertura, si osserva un marcato “cross‑over” di materiale: la polvere del materiale depositato per primo viene trascinata nella zona del secondo materiale durante la stesura. In alcune condizioni compaiono porosità legate a irregolarità di deposizione, distinte dai difetti guidati dalla conduzione termica visti nelle interfacce orizzontali. Quando invece il piano di interfaccia è allineato o quasi parallelo alla direzione di ricopertura, si forma una transizione composizionale graduale tra IN718 e GRCop‑42, una regione a gradiente che sfuma le concentrazioni di nichel e rame su una certa distanza.
Questa interfaccia graduale può contribuire a ridurre le concentrazioni di tensione dovute al diverso comportamento termico e alla differente dilatazione dei due metalli, con potenziale beneficio per componenti sottoposti a cicli termici severi.
Evoluzione microstrutturale nelle zone miste
L’analisi microstrutturale mostra che il comportamento dei grani dipende dal grado di miscelazione tra IN718 e GRCop‑42. Nelle regioni con forte contaminazione di nichel in aree ricche di rame si osserva una transizione da grani colonnari a grani equiassici, con raffinamento del grano localizzato nelle zone più ricche di rame e grani equiassici più grossi nelle regioni più ricche di nichel. Nei campioni dove la composizione cambia in modo più brusco, l’interfaccia conserva strutture dendritiche colonnari tipiche delle superleghe di nichel solidificate in modo direzionale. Ciò indica che la gestione intenzionale della miscelazione tramite orientazione dell’interfaccia e direzione di ricopertura può essere usata per progettare microstrutture di transizione con proprietà mirate, ad esempio controllando durezza locale, tenacità o comportamento a fatica termica.
Implicazioni per la progettazione di componenti aerospaziali multi‑metallo
Nel complesso, lo studio conferma che orientazione dell’interfaccia, sequenza di deposizione e direzione di ricopertura sono parametri chiave per progettare componenti LPBF multi‑materiale basati su IN718 e GRCop‑42. I ricercatori dimostrano che interfacce quasi prive di difetti sono ottenibili solo con configurazioni specifiche, mentre altre combinazioni portano a difetti di mancanza di fusione, porosità da deposizione o microstrutture potenzialmente critiche. Viene inoltre evidenziata la necessità di approfondire le prestazioni meccaniche, con prove di trazione e fatica ad alta temperatura e sotto cicli termici, per collegare in modo quantitativo la microstruttura orientata all’interfaccia con la durata in esercizio di componenti come camere di combustione e ugelli.
Parallelamente, il crescente impiego industriale di leghe come GRCop‑42 in stampa 3D e la diffusione di sistemi LPBF multi‑materiale indicano che il controllo dell’interfaccia metallurgica tra metalli dissimili è uno dei nodi principali da sciogliere per rendere praticabili architetture multi‑metallo in ambiente estremo.
Multi‑materiale e interfacce: una sfida aperta in additive manufacturing
Il lavoro del CfAM si inserisce in un quadro più ampio di ricerche dedicate all’integrazione di metalli dissimili tramite additive manufacturing. Programmi in ambito energia, studi su combinazioni rame‑tungsteno e nuove architetture di LPBF multi‑materiale ad alta velocità convergono sulla stessa conclusione: la vera limitazione non è solo la macchina, ma il controllo dell’interfaccia metallurgica tra materiali con proprietà profondamente diverse. Anche con hardware avanzato, la gestione di sequenza di deposizione, direzione di ricopertura, energia di processo e strategie di gradiente composizionale rimane essenziale per progettare interfacce affidabili. In ambito aerospaziale, dove il cedimento localizzato all’interfaccia può avere conseguenze critiche, questi studi indicano che il passaggio da dimostratori di laboratorio a componenti multi‑metallo qualificati richiede una stretta integrazione tra sviluppo di processo, modellazione termo‑metallurgica e test meccanici su larga scala.
