La crescente dipendenza da leghe a base di nichel e cobalto in ambiti quali aerospazio, difesa ed energia pone l’Unione Europea di fronte a notevoli rischi di approvvigionamento. Entrambi i metalli figurano nella lista dei “materiali critici” stilata dalla Commissione Europea, a causa della loro distribuzione concentrata in pochi paesi e della volatilità dei prezzi sul mercato globale. In questo scenario, l’adozione di sistemi di produzione additiva basati su leghe ferro‑base offre un duplice vantaggio: utilizzo di materie prime largamente disponibili in Europa e sfruttamento di processi di riciclo già consolidati nel settore siderurgico.
Obiettivi della ricerca di Neue Materialien Bayreuth
La Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB), struttura di ricerca applicata, ha avviato un programma di sviluppo di nuove leghe ferro‑base progettate per l’Additive Manufacturing (AM). L’obiettivo è ottenere materiali con:
- densità ridotta (minori costi di materia prima e componenti più leggeri),
- tenacità meccanica comparabile alle leghe nichel‑base (resistenza a trazione > 1 000 MPa),
- stabilità a temperature elevate (fino a 600 °C),
- elevata riciclabilità grazie alla semplicità dei cicli di fusione e rifusione.
Approcci metallurgici e simulazioni digitali
Per accelerare l’individuazione della composizione ottimale, NMB ha integrato:
- Calcoli termodinamici (CALPHAD) e modelli di equilibrio di fase, per prevedere le reti intermetalliche e i possibili fenomeni di segregazione.
- Simulazioni FEM del comportamento termomeccanico durante i cicli di fusione laser, al fine di stimare deformazioni e tensioni residue.
- Ottimizzazione multi‑obiettivo, bilanciando proprietà meccaniche, densità e costo degli elementi.
Questo workflow digitale ha permesso di restringere a poche composizioni promettenti – a base di ferro, cromo, alluminio, titanio e piccole percentuali di molibdeno – prima di passare alla produzione di polveri.
Produzione delle polveri e processo di atomizzazione
Le leghe selezionate vengono trasformate in polvere metallica mediante atomizzazione a gas inerte, con granulometria controllata fra 15 e 45 µm e contenuto di ossigeno inferiore a 200 ppm. Questo garantisce:
- flusso uniforme durante la deposizione,
- riduzione di defecti come porosità e inclusioni ossidiche,
- alta densità di pezzo sinterizzato (> 99,5 % del teorico).
Validazione su tecniche AM multiple
NMB ha esteso i test a tre tecnologie chiave:
- Selective Laser Melting (SLM/Laser Powder Bed Fusion) su sistemi CONCEPT Laser Mlab, per verificare la rifusione puntuale e il legame metallurgico fra layer.
- Laser Metal Deposition (LMD/Wire‑DED), utilizzando fili pre‑legati di diametro 1,2 mm; questo processo offre maggiori velocità di deposizione (fino a 40 cm³/h) e consente strutture di grandi dimensioni.
- Binder Jetting seguito da sinterizzazione, per parti complesse e volumi medio‑grandi, approccio che abbassa i requisiti di potenza laser e amplia la gamma di geometrie ottenibili.
Risultati meccanici e termici
I campioni LPBF in Fe–20Cr–5Al–2Ti–1Mo hanno dimostrato:
- resistenza a snervamento (Rp0,2) ≈ 1 180 MPa a temperatura ambiente,
- resistenza a trazione (Rm) ≈ 1 350 MPa,
- mantenimento di Rp0,2 > 800 MPa fino a 600 °C,
- durezza Vickers HV0,2 ≈ 450 kgf/mm².
Nei test ciclici termici (20–600 °C per 10 cicli) le parti LPBF hanno mantenuto la stabilità dimensionale entro ± 50 µm, valore allineato alle specifiche aerospaziali. I pezzi sinterizzati da Binder Jetting hanno raggiunto densità del 98 % e mostrato una resistenza a flessione di 820 MPa, con una rugosità superficiale Ra ≤ 12 µm.
Ambiti applicativi
Questa generazione di leghe ferro‑base si presta a componenti esposti a carichi elevati e a temperature intermedie:
- Turbomacchine per la produzione di energia (ugelli, pale di turbina di stadio intermedio),
- Settore aerospaziale per parti strutturali non critiche di primo stadio,
- Oil & Gas per valvole e componenti down‑hole,
- Industria automobilistica per supporti motore e scudi termici.
Vantaggi per la sostenibilità e la sicurezza delle catene di fornitura
- Materie prime: ferro e cromo dispersi in miniere europee; alluminio e titanio prodotti entro l’UE.
- Riciclo: scarti di stampa e residui di post‑lavorazione reinseribili in forno elettrico con consumo energetico ridotto.
- Riduzione costi: prezzo materia prima inferiore di circa il 40 % rispetto alle leghe a base di nichel; minor dipendenza dai mercati asiatici.
Prospettive di industrializzazione
NMB collabora con centri di ricerca quali Fraunhofer IFAM e con PMI europee specializzate in colata e sinterizzazione per il passaggio a lotti pilota (serie da 100 pz). La roadmap prevede entro il 2026:
- qualificazione secondo norme ASTM F3301 (aerospazio) e ISO 17296 (AM).
- avvio di un progetto Horizon Europe per l’industrializzazione su larga scala.
- ampliamento della gamma compositiva con leghe a effettiva memoria di forma e materiali magnetici amorfi per componenti elettrici.
