GLI SCIENZIATI DI ORNL SVILUPPANO MATERIALE DI STAMPA 3D EBM RESISTENTE AL CALORE ‘MIGHTY MO’
Gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno sviluppato una nuova formulazione di molibdeno (Mo) specificamente ottimizzata per l’uso con le stampanti 3D Electron Beam Melting (EBM).
Mescolando il molibdeno con le polveri di carburo di titanio (TiC), il team ORNL è stato in grado di creare un materiale “Mighty Mo”, che supera la normale fragilità e reattività all’ossigeno della lega. Una volta stampato in 3D EBM, il composito a matrice metallica produce parti dense e prive di crepe che sono in grado di resistere a temperature estreme, rendendolo potenzialmente ideale per l’uso in applicazioni aerospaziali impegnative.
“I nostri risultati hanno mostrato che la fabbricazione da una polvere composita a matrice metallica legata meccanicamente è fattibile”, ha affermato Mike Kirka di ORNL. “Le strutture formate dalle polveri fuse possono resistere alle alte temperature, il che indica che il molibdeno e le sue leghe possono essere utilizzate per applicazioni aerospaziali e di conversione energetica”.
In quanto metallo refrattario, il molibdeno presenta diverse proprietà che lo rendono un’opzione interessante per l’impiego all’interno di aree ultra sensibili alla temperatura. La lega è caratterizzata da un elevato punto di fusione di 2622 o C, nonché da un basso coefficiente di dilatazione termica, conducibilità termica e resistenza alla corrosione, ma è anche nota per mostrare scarsa tenacità a determinate temperature.
Inoltre, il molibdeno è estremamente sensibile alla contaminazione da azoto e ossigeno durante la lavorazione, che può causare la segregazione dei bordi dei grani, con conseguenti rotture delle parti. Nella ricerca limitata che è già stata condotta in quest’area, gli scienziati hanno mescolato il metallo con altri materiali nel tentativo di controllare meglio la sua ricristallizzazione e la dimensione dei grani, ma con scarso effetto.
Nel 2017, i ricercatori del produttore austriaco di polveri Plansee Group sono riusciti a utilizzare i dati di simulazione per quantificare il modo in cui la dimensione delle particelle di molibdeno contribuisce alla sua sensibilità di stampa SLM, ma non ha risolto il problema in modo definitivo. Al contrario, il team ORNL ha ora scoperto che aggiungendo particelle di TiC alla lega e passando all’EBM, è possibile fabbricare microstrutture con nuovi livelli di robustezza e rigidità.
Per formulare il loro materiale, gli scienziati hanno miscelato polveri di Mo e TiC in un rapporto di 60:40 all’interno di un cilindro graduato, che è stato inondato di gas argon per prevenire l’ossidazione. Il composito a matrice metallica risultante è stato quindi legato meccanicamente utilizzando un mulino a sfere planetario per otto ore, fino a quando non era pronto per la stampa 3D.
Per elaborare la nuova polvere, il team ORNL ha sviluppato una stampante 3D Arcam S12 EBM personalizzata , dotata di una camera di costruzione modificata composta da un sistema di erogazione del letto di polvere da tavolo, alimentatore, rastrello e pistone. Gli aggiornamenti della macchina l’hanno ottimizzata in modo efficace per le piccole costruzioni, consentendo al contempo il monitoraggio avanzato del processo e l’alimentazione del materiale secondario.
Sfruttando la loro macchina, i ricercatori hanno scelto di stampare in 3D sei parti che misurano 12 mm (D) x 13 mm (H) con strutture a sandwich, contenenti uno strato di Mighty Mo racchiuso tra due strati di molibdeno puro. È interessante notare che l’imaging SEM ha rivelato che nessuno dei campioni puri aveva subito crepe di sorta, ma mostravano alcune incongruenze superficiali dovute alla diffusione della polvere.
Successivamente, il team ha eseguito la modellazione termodinamica, che ha anche dimostrato che il processo rimane estremamente sensibile ai cambiamenti di composizione e temperatura. Di conseguenza, gli scienziati dell’ORNL hanno ipotizzato che una gestione rigorosa degli input di processo sarà la chiave per creare future microstrutture in molibdeno, senza causare cambiamenti nella consistenza dello strato parziale o nei gradienti di temperatura durante la lavorazione.
In definitiva, i ricercatori hanno anche concluso di aver dimostrato la fattibilità della stampa 3D di molibdeno puro privo di crepe e, con un set di parametri perfezionato, la lega potrebbe trovare nuove applicazioni nei settori aerospaziale o di conversione energetica, in aree come i componenti di trasferimento di calore. .
Stampa 3D a base di molibdeno
Sebbene la stampa 3D di molibdeno puro privo di crepe rimanga una sfida, numerosi produttori di materiali sono riusciti a mescolare la lega con altri metalli, per ottenere prodotti molto più lavorabili. Il cliente di Farsoon Hiwing Titanium Industrial, ad esempio, ha recentemente sviluppato il suo materiale di stampa 3D infuso al Mo resistente al calore “TA32” .
Capace di resistere a temperature di esercizio fino a 550 ° C, il metallo è progettato per fungere da alternativa alle superleghe a base di acciaio o nichel. Allo stesso modo, scienziati con sede a Singapore sono riusciti in precedenza a migliorare la stampabilità della lega di Inconel 625 caricata con Mo , mescolandola con nanoparticelle di diboruro di titanio.
Altrove, la stampante 3D OEM Meltio ha rivelato che anch’essa sta convalidando il molibdeno per l’uso con l’ultima versione del suo motore Meltio proprietario. Dopo aver testato con successo l’acciaio inossidabile, Inconel (718 e 625) e Ti-6Al-4V (gradi 5 e 23), l’azienda sta ora convalidando rame, alluminio, tungsteno, X9 e oro, tra gli altri.
I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato ” Produzione additiva di lega MMC Mo puro e Mo + TiC mediante fusione a letto di polvere a fascio elettronico “. La ricerca è stata scritta in collaborazione con Christopher Rock, Edgar Lara-Curzio, Betsy Ellis, Christopher Ledford, Donovan N. Leonard, Rangasayee Kannan, Michael Kirka e Timothy Horn.
