Stampa di superleghe presso l’Università di Oxford
Pubblicato il 30 marzo 2022Il professor Roger Reed è un leader mondiale nell’ingegneria e nella scienza delle leghe per alte temperature, con una particolare attenzione alle superleghe a base di nichel. Questi materiali sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni per motori e generazione di energia grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche a temperature elevate. Roger guida un gruppo di ricerca presso l’Università di Oxford che sviluppa nuovi sistemi di superleghe che possono essere realizzati tramite la produzione additiva (comunemente nota come stampa 3D). I sistemi di superleghe stampabili consentirebbero la progettazione di nuove parti con maggiore libertà geometrica, la prototipazione molto più rapida e la produzione con uno spreco di materiale minimo.
I vantaggi della produzione additiva dei metalli sono evidenti, tuttavia, in pratica, la modifica del metodo di produzione di un materiale comporta sfide significative per la ricerca. Le superleghe legacy sono state progettate per essere realizzate tramite metodi di colata tradizionali, che sono fondamentalmente diversi dalla produzione additiva. I materiali stampati sono costruiti mediante la fusione di strati di polvere metallica con un laser, fondendoli insieme per formare un materiale solido. Questo processo viene ripetuto strato per strato con un elevato grado di controllo geometrico per creare una parte finita. I processi di riscaldamento e raffreddamento molto rapidi che si verificano durante la stampa possono avere un forte impatto sulla microstruttura dei materiali e sulle proprietà meccaniche che ne derivano, portando a parti con prestazioni strutturali potenzialmente compromesse.
Il dottor Tony Yang usa il plastometro
Per affrontare questo problema, Roger e il suo team hanno sperimentato una metodologia di lega per progetto. Questo utilizza strumenti computazionali per schermare diverse composizioni elementari, esplorando la relazione tra la loro chimica e le proprietà dei materiali. L’approccio consente ai ricercatori di esplorare milioni di possibili composizioni di leghe, consentendo loro di selezionare i candidati più promettenti per la produzione e le prove fisiche. È importante sottolineare che la lega per progettazione consente ai ricercatori di progettare sistemi di leghe completamente nuovi appositamente per la produzione tramite la produzione additiva. Il risultato sono nuove composizioni di superleghe che conservano le eccellenti prestazioni meccaniche dei gradi colati legacy anche se realizzate con moderne tecniche di stampa.
Una parte fondamentale di questo processo di progettazione della lega è essere in grado di convalidare rapidamente questi modelli numerici con test fisici ad alta produttività. Per fare ciò, Roger e il team di Oxford hanno recentemente investito in un dispositivo Plastometrex per indentazione. Il sistema da banco è in grado di misurare con precisione la resistenza del materiale (sotto forma di curve sforzo-deformazione) da un test di indentazione automatizzato di 3 minuti. Questa tecnologia riduce di oltre il 90% sia i tempi di test che i materiali necessari per i test, consentendo al team di Oxford di progettare e prototipare gradi di lega molto più velocemente rispetto ad altri gruppi di ricerca che lavorano nello stesso campo.
Roger Reed ha detto questo sulla tecnologia
“Il plastometro a rientranza ci consente di ridurre i nostri tempi di test fisici da giorni a pochi minuti. Ciò ha avuto un enorme impatto positivo sulla nostra ricerca sul design delle leghe, consentendoci di navigare, selezionare e convalidare nuovi materiali più velocemente che mai”.
Plastometrex e il team di Oxford hanno anche forti legami di collaborazione, essendo di recente co-autore di una pubblicazione in Advanced Engineering Materials. Il lavoro esplora come il plastometro a indentazione può essere utilizzato per caratterizzare le proprietà di piccoli campioni di superleghe anisotropiche. In questo lavoro è stato dimostrato che il plastometro può fornire una misura semiquantitativa dell’anisotropia (un effetto in cui i materiali mostrano proprietà diverse in direzioni diverse).
Bill Clyne Chief Scientific Officer di Plastometrex ha detto questo sulla relazione:
Siamo lieti di lavorare con il team di Oxford, leader mondiale nella metallurgia della produzione additiva. Non vediamo l’ora di continuare a collaborare con Roger e il suo team mentre spingiamo le frontiere dei test meccanici sui materiali.
