I ricercatori dell’Università di Cranfield utilizzano il processo WAAM per produrre parti su larga scala in tungsteno non legato
Cranfield University sta continuando il suo lavoro con filo ed arco produzione di additivi, o WAAM : un nuovo procedimento che utilizza un arco elettrico come sorgente di calore, e il filo metallico di alta qualità come materia prima. Un trio di ricercatori con il Welding Engineering and Laser Processing Center (WELPC) dell’università ha pubblicato un articolo intitolato ” Sviluppo della produzione additiva di filo + arco per la produzione di componenti in tungsteno non legato su larga scala “, che dimostra che WAAM è in grado di produrre su larga scala parti in tungsteno non legato per fusione completa. Questa è una possibile alternativa all’uso della metallurgia delle polveri per la produzione di tungsteno.
L’abstract dice: “La produzione di componenti di metalli refrattari presenta alcune limitazioni indotte dalla caratteristica fragilità a bassa temperatura dei materiali e dall’elevata suscettibilità all’ossidazione. La metallurgia delle polveri è in genere il processo di produzione preferito. Recentemente, Wire + Arc Additive Manufacturing si è dimostrato in grado di produrre parti metalliche su larga scala e ad alta densità a un costo relativamente basso, utilizzando filo di alta qualità come materia prima. In questo studio, questa tecnica è stata utilizzata per la produzione di strutture lineari di tungsteno su larga scala. L’orientamento dell’alimentazione del filo è stato studiato e ottimizzato per ottenere depositi di tungsteno privi di difetti. In particolare, l’alimentazione del filo anteriore ha eliminato l’insorgere di pori e micro-fessurazioni, rispetto all’alimentazione del filo laterale. La microstruttura, Sono stati anche discussi il verificarsi di difetti e la loro relazione con il processo di deposizione. Nonostante i ripetuti cicli termici e l’intrinseca fragilità del materiale, le strutture as-depositate erano prive di cricche interne e le dimensioni dello strato erano stabili durante l’intero processo di deposizione. Ciò ha permesso la produzione di un componente relativamente grande, con dimensioni di 210 x 75 x 12 mm. “
Il tungsteno è uno dei principali candidati per la produzione di componenti nel settore energetico, che richiedono materiali con elevata resistenza al calore, capacità di carico neutronico ed eccellenti proprietà meccaniche. Poiché il tungsteno ha il più alto punto di fusione di tutti i metalli, insieme a bassa ritenzione di trizio, conduttività termica e densità relativamente elevate e buona resistenza allo sputtering e all’erosione, può essere utilizzato nei futuri reattori a fusione come materiale rivolto al plasma. Tuttavia, a causa della elevata temperatura di ricristallizzazione del metallo e della bassa resistenza alla frattura, non è così facile produrre componenti in tungsteno.
“Attualmente, ci sono tre principali operazioni di produzione che vengono studiate, quando ci si riferisce ai componenti di tungsteno per l’ambiente di fusione nucleare: la produzione industriale di componenti su larga scala; l’unione di queste parti con altri materiali; e la loro efficiente riparazione e manutenzione “, hanno spiegato i ricercatori, osservando che la produzione additiva può essere utilizzata per fabbricare la lega.
“AM potrebbe sicuramente risolvere alcuni dei problemi di produzione relativi ai componenti di tungsteno e, eventualmente, consentire lo sviluppo di nuovi approcci di progettazione”.
WAAM è in grado di fabbricare direttamente componenti di grandi dimensioni, completamente densi, metallici, quasi a forma di rete con una velocità di deposizione superiore rispetto ad altri processi di stampa 3D metallici. Quindi il team ha voluto applicare WAAM per la prima volta al tungsteno non legato, prestando particolare attenzione alla creazione di componenti su larga scala privi di difetti.
“Lo studio e il monitoraggio del trasferimento del metallo e la caratterizzazione dal punto di vista microstrutturale sono discussi”, hanno scritto i ricercatori. “È stata inoltre prodotta una struttura di scala realistica per comprendere le problematiche legate al potenziamento e, infine, valutare la fattibilità dell’implementazione di WAAM come un modo innovativo per produrre parti di tungsteno non legate”.
L’immagine sopra mostra l’apparato usato dalla squadra per la deposizione. Per il cavo laterale e le configurazioni di alimentazione del filo anteriore, gli strati di tungsteno sono stati depositati progressivamente sul substrato, in una direzione costante, con un singolo cordone. La sezione trasversale perpendicolare alla direzione della deposizione è stata sminuzzata, levigata e incisa per esaminare i difetti e la microstruttura. Una volta che i ricercatori hanno raggiunto i parametri ottimali, hanno utilizzato il processo WAAM per costruire un muro di tungsteno di 120 mm di lunghezza, 75 mm di altezza e 12 mm di spessore.
Immagini risolte in tempo della deposizione eseguite utilizzando la configurazione di alimentazione del filo laterale.
Mentre non ci sono stati segni di spruzzi durante la deposizione per l’alimentazione del filo frontale, ci sono state alcune particelle schizzate durante la configurazione di alimentazione del filo laterale, causate principalmente da due meccanismi principali di espulsione.
“Le goccioline o le perdite macroscopiche di massa, localizzate prevalentemente lungo la superficie fusa, sono sorte a causa dell’instabilità di Kelvin-Helmholtz”, hanno spiegato i ricercatori. “Questo fenomeno si verifica quando c’è una differenza di velocità nell’interfaccia tra due fluidi. Inoltre, è stato riportato che l’instabilità di Kelvin-Helmholtz può anche portare all’evoluzione delle onde d’urto lungo la superficie del fluido causando una rottura della superficie del fuso in goccioline. “
Questa mancanza di particelle schizzate sull’alimentazione del filo anteriore è direttamente correlata alla mancanza di fusione e pori nella struttura, quindi è importante evitare gli schizzi se si desidera mantenere forte la struttura di tungsteno depositata WAAM.
Con depositi sia laterali che frontali, la microstruttura conteneva grani fini equiassiali vicino agli strati inferiori, con grani più grandi e più grossolani vicino alla cima. Il team ha spiegato che l’elevata conduttività termica del tungsteno a temperatura ambiente e la rapida solidificazione promuovevano i grani equiassici.
“Questo probabilmente rappresenta la prima struttura su larga scala completamente densa in tungsteno non legato prodotto usando AM. Gli aspetti esclusivi di questa struttura erano l’assenza di una grande rete di fessurazioni del bordo del grano all’interno del volume depositato, la quasi assenza di scolorimento e ossidazione dal processo di fusione e la coerenza nella geometria degli strati “, ha affermato il team.
Lo studio ha dimostrato che, mentre la tecnologia WAAM è in grado di produrre “componenti in metallo refrattario su larga scala mediante fusione completa” con tungsteno di elevata purezza, l’orientamento dell’alimentazione del filo può influenzare notevolmente la microstruttura del deposito, oltre a creare difetti strutturali e pori.
Co-autori del documento sono G. Marinelli, F. Martinaa, S. Gangulya e S. Williams.
