Una super lega Co-Ni resistente ai difetti per la stampa 3D dalla UC Santa Barbara e dall’Oak Ridge National Laboratory

I ricercatori della California sviluppano una nuova superlega a base di nichel resistente alle crepe per la stampa 3D

Un team di ricercatori della UC Santa Barbara e dell’Oak Ridge National Laboratory ha sviluppato una nuova superlega resistente ai difetti per la stampa 3D dei metalli.

In un comunicato stampa , l’università spiega che negli ultimi anni ci sono stati grandi progressi nella stampa 3D con raggi laser ed elettronici. In questo modo si possono creare forme complesse che non possono essere ottenute con la produzione convenzionale. Nella produzione additiva per materiali metallici, le particelle di polvere più fini – ciascuna circa dieci volte più fine di un granello di sabbia – vengono fuse e fuse in “pozze” sub-millimetriche che vengono create focalizzando un raggio laser o di elettroni sul materiale.

“I fasci altamente focalizzati forniscono un controllo eccellente e consentono di” sintonizzare “le proprietà nei punti critici dell’oggetto stampato”, spiega Tresa Pollock, Professore di Materiali e Assistente Decano del College of Engineering presso l’UC Santa Barbara. “Sfortunatamente, molte leghe metalliche avanzate utilizzate in ambienti ad alta intensità di calore e chimicamente corrosivi, come quelle che si trovano nelle applicazioni energetiche, aerospaziali e nucleari, non sono compatibili con il processo AM”.

La sfida di scoprire nuovi materiali compatibili con AM è stata irresistibile per lo scienziato Pollock, che conduce ricerche nel campo dei moderni materiali metallici e rivestimenti. “È stato interessante”, spiega, “perché un numero di leghe altamente compatibili potrebbe alterare la produzione di materiali metallici di alto valore economico – cioè materiali costosi perché i loro componenti sono relativamente rari nella crosta terrestre – cambiando il modo in cui sono fatti progetti geometricamente complessi con il minimo spreco di materiale “.

“La maggior parte delle leghe ad altissima resistenza che vengono utilizzate in ambienti estremi non possono essere stampate perché si rompono”, continua Pollock. “Possono rompersi allo stato liquido quando un oggetto è ancora in fase di stampa, oppure allo stato solido dopo che il materiale è stato rimosso e sottoposto ad alcuni trattamenti termici. Ciò ha impedito alle leghe che attualmente utilizziamo in applicazioni come i motori degli aerei di essere in grado di stampare nuovi progetti che potrebbero, ad esempio, aumentare drasticamente le prestazioni o l’efficienza energetica “.

In un articolo sulla rivista Nature Communications, Pollock descrive una nuova classe di superleghe in collaborazione con Carpenter Technologies, l’Oak Ridge National Laboratory, i dipendenti della UCSB Chris Torbet e Gareth Seward e gli studenti di dottorato della UCSB Sean Murray, Kira Pusch e Andrew Polonsky , che superano questo problema di cracking e quindi promettono di far avanzare l’uso di AM per produrre componenti individuali complessi da utilizzare in ambienti altamente stressati e ad alte prestazioni.

La ricerca è stata sostenuta da una Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) da 3 milioni di dollari, che Pollock ha ricevuto dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel 2017. Il premio più prestigioso del Dipartimento della Difesa per un singolo ricercatore, il VBFF sostiene la ricerca di base che potrebbe avere un impatto trasformativo.

Nel lavoro, gli autori descrivono una nuova classe di superleghe stampabili in 3D ad alta resistenza, resistenti ai difetti, definite come leghe tipicamente a base di nichel che mantengono la loro integrità del materiale a temperature fino al 90% del loro punto di fusione. La maggior parte delle leghe si rompe al 50% della loro temperatura di fusione. Queste nuove superleghe contengono parti più o meno uguali di cobalto (Co) e nichel (Ni), oltre a quantità minori di altri elementi. Questi materiali sono adatti sia per la stampa 3D senza crepe utilizzando la fusione del fascio di elettroni (EBM) sia per i più sofisticati processi a letto di polvere laser, il che li rende molto utili per la moltitudine di macchine da stampa che stanno arrivando sul mercato.

A causa delle loro eccellenti proprietà meccaniche a temperature elevate, le superleghe a base di nichel sono il materiale di scelta per i componenti strutturali come le pale delle turbine a cristallo singolo e le pale utilizzate nelle aree calde dei motori degli aerei. Su una variante di una superlega sviluppata dal team, Pollock spiega: “L’alto contenuto di cobalto ci ha permesso di incorporare proprietà negli stati liquidi e solidi della lega che la rendono compatibile con un’ampia gamma di condizioni di pressione”.

Lo sviluppo della nuova lega è stato facilitato dal precedente lavoro svolto attraverso progetti finanziati da NSF coordinati con la National Materials Genome Initiative, che ha l’obiettivo fondamentale di supportare la ricerca per affrontare le grandi sfide che la società deve affrontare sviluppando materiali avanzati “due volte più velocemente a metà del costo”.

L’intero lavoro è intitolato “Una super lega Co-Ni resistente ai difetti per la stampa 3D”

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