Perché stampare in 3D superleghe per gasturbine è difficile (e dove stanno i “limiti fisici”)
Le gasturbine lavorano in condizioni tra le più severe dell’ingegneria energetica: alte temperature, forti gradienti termici, carichi ciclici e ambienti ossidanti. L’interesse per combustibili a basso contenuto di carbonio, incluso l’idrogeno, tende ad aumentare ulteriormente le richieste su materiali e raffreddamento nella sezione calda. In questo scenario, la manifattura additiva metallica è attraente perché permette geometrie complesse (ad esempio canali interni di raffreddamento) difficili o impossibili con metodi tradizionali, ma i materiali “giusti” per le zone più calde sono anche tra i più difficili da stampare.
Il caso CM247LC: superlega a base nichel molto usata, ma “non saldabile” in LPBF
Alla Chalmers University of Technology (Svezia), il dottorando Ahmed Fardan Jabir Hussain ha studiato la lavorazione additiva della superlega CM247LC, una lega a base nichel impiegata da tempo in componenti per turbine (tipicamente in forma fusa), ma problematica nei processi a letto di polvere con laser (PBF-LB / LPBF). Il nodo non è solo ottenere densità elevata: durante la stampa e soprattutto nei cicli di trattamento termico possono comparire cricche e difetti che compromettono integrità e durata ad alta temperatura.
Microcricche, macrocricche e un compromesso scomodo
Uno dei risultati più utili del lavoro è la logica “di sistema”: intervenire per ridurre un tipo di cricca o difetto può peggiorarne un altro, oppure penalizzare la resistenza a scorrimento viscoso (creep) nel lungo periodo. In pratica, la finestra di processo è stretta: potenza laser, strategia di scansione, gestione termica e post-process (trattamenti termici) devono essere ottimizzati insieme, perché le superleghe Ni ad alta frazione di precipitati sono sensibili a tensioni residue e fenomeni di criccatura da solidificazione o da trattamento.
Che cosa è stato migliorato: processo e trattamenti, senza cambiare la chimica della lega
Nel lavoro descritto da Chalmers (ripreso anche da 3druck.com), Hussain ha scelto di non modificare la composizione della CM247LC e di concentrarsi invece su parametri e strategia: regolazione di potenza/energia immessa, percorso di scansione e sequenze di trattamento termico. Il risultato riportato è una riduzione significativa della tendenza alla criccatura e un miglioramento della “tenuta” alle alte temperature; in campioni a geometria semplice si arriva a condizioni quasi prive di cricche, mentre geometrie più complesse restano più critiche.
Il punto dolente: la resistenza al creep resta spesso sotto la fusione convenzionale
Anche quando le cricche vengono mitigate, la prestazione a creep delle parti LPBF può rimanere inferiore a quella del materiale colato, perché microstruttura e difetti residui influenzano fortemente la vita a caldo. Serve microstruttura “su misura” e trattamenti post-process mirati; ad esempio, orientare la microstruttura in modo più colonnare e anisotropo lungo la direzione di crescita può aumentare la vita a creep in quella direzione, ma introduce anche scelte progettuali e di qualifica (anisotropia delle proprietà).
Perché si parla di “limiti fisici”: il problema non è solo “stampare bene”, ma controllare solidificazione e tensioni
Quando si stampa LPBF una superlega Ni “non saldabile” come CM247LC, l’alternanza di fusione/solidificazione rapidissima genera gradienti termici elevati, con rischio di cricche di solidificazione e tensioni residue. Il problema è così strutturale da spingere molti gruppi a strategie diverse: ottimizzazione di parametri e scansioni; post-riscaldo in situ o strategie termiche per ridurre stress; modifiche di composizione per rendere la lega più “stampabile”. Alcuni lavori riportano riduzioni molto marcate di densità e lunghezza cricche tramite modifica chimica, ma questo apre poi il tema industriale di certificazione materiale e compatibilità con specifiche esistenti.
Il ruolo dell’industria: Siemens Energy e la traduzione dei risultati in produzione
La ricerca Chalmers è stata svolta in stretta collaborazione con Siemens Energy; nelle comunicazioni ufficiali, Håkan Brodin (Materials Technology Expert, Siemens Energy) sottolinea che le indicazioni ottenute vengono già applicate per migliorare processi e sviluppo leghe. Questo punto conta perché, per turbine industriali, la qualifica richiede ripetibilità, controlli non distruttivi e stabilità a lungo termine: ciò che funziona su provini semplici deve poi reggere su componenti complessi. In parallelo, Siemens Energy lavora anche su applicazioni AM per manutenzione e riparazione: ad esempio, insieme a EOS GmbH ha adattato una EOSINT M 280 per riparazioni, evidenziando che l’AM in turbina non è solo nuova produzione, ma anche service e ripristino a specifica.
Che cosa aspettarsi dopo: materiali migliori, processi più controllati, e progettazione orientata alla microstruttura
Il quadro che emerge è pragmatico: la manifattura additiva di superleghe per la sezione calda può avanzare solo combinando controllo termico e di solidificazione durante la stampa, trattamenti post-process coerenti con l’obiettivo, e progettazione che tenga conto della microstruttura ottenibile. I “limiti” non sono un muro unico, ma una serie di vincoli accoppiati tra difetti, microstruttura e proprietà a lungo termine: superarne uno senza peggiorare gli altri è la vera difficoltà industriale.
