CoNi-HESA: una superlega ad alta entropia stampabile in 3D per turbine più calde ed efficienti
Un gruppo internazionale di ricerca coordinato dall’IMDEA Materials Institute ha sviluppato una nuova superlega ad alta entropia a base di cobalto e nichel, indicata come CoNi-HESA, progettata appositamente per la stampa 3D con Laser Powder Bed Fusion (LPBF). L’obiettivo è realizzare componenti di turbina in grado di lavorare a temperature più elevate rispetto alle superleghe tradizionali, aumentando il rendimento dei motori aeronautici e delle turbine a gas, con potenziali benefici su consumi di carburante ed emissioni.
Perché servono nuove superleghe per turbine più calde
Da decenni le superleghe a base nichel sono il materiale di riferimento per pale e dischi di turbina: mantengono resistenza e stabilità microstrutturale a temperature molto vicine al punto di fusione, soprattutto grazie alla fase γ/γ′ e al controllo della microstruttura tramite trattamenti termici. Tuttavia, la spinta verso motori più efficienti richiede temperature di esercizio ancora maggiori, oltre i limiti gestibili dalle leghe convenzionali senza perdere in durata a fatica e resistenza al creep.
L’approccio CoNi-HESA unisce i punti di forza delle tradizionali superleghe al nichel (elevata resistenza alle alte temperature) con i vantaggi dei sistemi a base cobalto (buona resistenza a ossidazione e corrosione), applicando i principi delle leghe ad alta entropia (HEA) per stabilizzare la microstruttura anche sotto forti sollecitazioni termiche. In parallelo, il materiale è pensato fin dall’inizio per essere compatibile con i processi di manifattura additiva metallica, e in particolare con LPBF.
Progettazione della superlega CoNi-HESA: entropia di miscela e calcoli termodinamici
La superlega CoNi-HESA nasce all’interno del progetto europeo CNSTech, che ha esplorato strategie di progettazione di nuove superleghe basate sul concetto di entropia di configurazione e sul controllo della temperatura di solvus della fase γ′, un parametro chiave per le prestazioni alle alte temperature.
I ricercatori hanno utilizzato:
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Calcoli termodinamici CALPHAD per selezionare una composizione multicomponente Co–Ni con altri elementi di lega, in grado di formare una struttura a singola fase FCC all’origine e di sviluppare precipitati γ′ stabili dopo solidificazione e raffreddamento.
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I principi delle high entropy superalloys (HESA), in cui la combinazione di più elementi in percentuali comparabili aumenta l’entropia di miscela e può stabilizzare fasi favorevoli, riducendo la formazione di fasi fragili o topologicamente complesse (TCP).
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Una progettazione “dual use”: composizione pensata sia per LPBF sia per potenziali processi alternativi come spark plasma sintering (SPS), in linea con le attività del consorzio CNSTech.
Il risultato è una polvere CoNi-HESA che combina alta resistenza, buona duttilità e stabilità microstrutturale alle alte temperature, mantenendo al contempo una buona lavorabilità in stampa 3D.
Produzione con Laser Powder Bed Fusion e ottimizzazione del processo
Per validare CoNi-HESA in LPBF, il team ha utilizzato una macchina Renishaw AM400, variando sistematicamente parametri come potenza laser (circa 110–190 W) e velocità di scansione (circa 550–850 mm/s), all’interno di un piano DOE (Design of Experiments) e di un’analisi con Response Surface Methodology. Lo scopo era individuare le “finestre di processo” che consentono di ottenere densità elevate e minimizzare cricche e porosità.
Le prove hanno portato a campioni con:
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Densità relativa superiore al 99%;
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Ridotta formazione di difetti interni, grazie al controllo del pool di fusione e delle strategie di scansione;
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Geometrie di prova idonee per caratterizzazioni meccaniche a temperatura ambiente ed elevata.
La progettazione del materiale e l’ottimizzazione del processo vengono quindi trattate come un sistema unico: composizione chimica, parametri di LPBF e condizioni termiche in camera sono calibrati in modo congiunto per ottenere una microstruttura stabile e ripetibile, condizione essenziale per una futura certificazione in campo aeronautico.
Microstruttura e proprietà meccaniche della CoNi-HESA
Le analisi microstrutturali (microscopia ottica e SEM) mostrano che i pezzi stampati in CoNi-HESA presentano:
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Una struttura cellulare/dendritica fine tipica delle superleghe lavorate con LPBF;
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Una matrice FCC stabile con precipitati γ′ distribuiti in modo omogeneo, in particolare nelle regioni interdendritiche;
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Assenza significativa di fasi TCP indesiderate, grazie al bilanciamento compositivo e all’alta entropia di miscela.
Dal punto di vista delle proprietà, le prove riportano:
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Resistenza a trazione superiore al gigapascal (oltre 1 GPa) a temperatura ambiente, con allungamento a rottura oltre il 30%, un compromesso raro per superleghe pensate per LPBF;
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Mantenimento di buone prestazioni meccaniche fino a circa 900 °C, con elevata resistenza al creep a breve termine, indicativa di un potenziale utilizzo a lungo termine in condizioni termiche severe;
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Ridotta tendenza alla criccatura rispetto a superleghe convenzionali non ottimizzate per LPBF, grazie alla combinazione di progettazione della lega e definizione dei parametri di processo.
Queste caratteristiche suggeriscono che CoNi-HESA può rappresentare una piattaforma materiale interessante per componenti strutturali in turbine aeronautiche e sistemi di generazione di energia, dove la stabilità microstrutturale nel lungo periodo è tanto importante quanto il valore di resistenza iniziale.
Impatto sui motori aeronautici e sulle turbine a gas
Il messaggio centrale dello studio IMDEA è legato all’aumento della temperatura massima di esercizio dei motori. Nei turbomotori aeronautici e nelle turbine a gas industriali, ogni incremento della turbine inlet temperature (TIT), anche di poche decine di gradi, può tradursi in:
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Maggiore efficienza termodinamica del ciclo;
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Riduzione del consumo specifico di carburante;
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Minori emissioni di CO₂ a parità di potenza erogata.
Una superlega come CoNi-HESA, progettata per lavorare stabilmente a temperature superiori rispetto a molte superleghe Ni-base standard, offre quindi un margine in più nella progettazione di pale e dischi di turbina stampati in 3D, soprattutto in combinazione con raffreddamenti interni complessi resi possibili dalla LPBF. La possibilità di stampare geometrie interne ottimizzate per scambi termici e gestione delle sollecitazioni si abbina alla stabilità microstrutturale garantita dall’approccio ad alta entropia.
Il ruolo di IMDEA Materials e della collaborazione internazionale
L’IMDEA Materials Institute emerge come uno dei poli europei chiave nello sviluppo di materiali avanzati per la produzione additiva metallica, non solo con CoNi-HESA ma anche con studi su controllo di microstruttura in Inconel 939, metodi di test per strutture metalliche stampate e integrazione di simulazione ICME lungo l’intero ciclo di sviluppo materiale-processo-componente.
Nel caso di CoNi-HESA, l’istituto coordina:
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La progettazione metallurgica della superlega e lo sviluppo della polvere;
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La definizione dei parametri di LPBF e la caratterizzazione microstrutturale e meccanica;
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La collaborazione con altre università e partner industriali nel quadro del progetto CNSTech e di altre iniziative europee sulle superleghe ad alta entropia per applicazioni aerospaziali ed energetiche.
Questa sinergia tra istituti di ricerca, università e industria permette di affrontare in modo coordinato non solo la parte scientifica (progettazione delle leghe), ma anche le esigenze di qualifica, certificazione e industrializzazione di componenti stampati in 3D destinati a settori altamente regolati.
Prospettive future per le superleghe ad alta entropia stampate in 3D
Lo studio su CoNi-HESA si inserisce in una tendenza più ampia: l’uso di leghe ad alta entropia e superleghe avanzate (come GRX-810 della NASA o nuove HEA sviluppate in vari centri di ricerca) per spingere sempre più in alto il limite di temperatura e di carico nei componenti critici, sfruttando la flessibilità della produzione additiva.
In prospettiva, l’approccio combinato:
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progettazione di leghe basata su modelli termodinamici e concetti di entropia;
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ottimizzazione del processo LPBF tramite metodi statistici e simulazioni;
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validazione sperimentale in condizioni di esercizio realistiche;
potrebbe portare a una nuova generazione di superleghe “by design” per AM, con proprietà su misura per specifiche architetture di turbina, camere di combustione e componenti critici di impianti energetici.
