Published on 11/15/2018
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Manifattura additiva delle superleghe di Nichel

Manifattura additiva delle superleghe di Nichel

Per poter procedere alla realizzazione di alcune componenti industriali è necessario l'utilizzo di materiali che siano in grado di garantire delle prestazioni migliori rispetto agli altri. Si pensi al settore energetico e a quello aerospaziale:

  • le turbine dei motori a reazione richiedono l'applicazione di materiali che riescano a resistere a temperature eccezionalmente alte;
  • l’oil & gas necessita di materiali con elevata resistenza a corrosione.

Volete conoscere quale sia il materiale che meglio si presta a certe lavorazioni?
Vediamolo assieme nel resto dell'articolo.

Cosa sono le superleghe di Nichel

Si parla delle superleghe a base di Nichel, facendo riferimento aspeciali materiali che si compongono di una matrice in lega di nichel a cui  vengono aggiunti una serie di altri elementi di lega. Questi  materiali registrano un punto di fusione piuttosto alto ed una buona resistenza ad ossidazione alle alte temperature. Queste caratteristiche rendono le superleghe di Nichel adatte per le applicazioni industriali che presentano temperature tra i 500 °C e i 1000 °C.

I principali vantaggi delle superleghe di Nichel alle alte temperature sono:

  • buone caratteristiche meccaniche per applicazioni a breve e lungo termine;
  • buona resistenza all’ossidazione a caldo (migliorabile attraverso l’ausilio di opportuni rivestimenti superficiali).

Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse superleghe di Nichel sia dal punto di vista composizionale che da quello microstrutturale.

  • A livello composizionale, le leghe più recenti presentano minor quantità di cromo e cobalto e maggior quantità di renio e rutenio.
  • Per quanto concerne l’aspetto microstrutturale, invece, le superleghe di Nichel presentano una matrice austenitica (FCC) con dei precipitati intermetallici ed una elevata quantità di carburi e boruri.

Il Nichel non possiede una elevata resistenza meccanica e duttilità e, proprio per questo motivo, le superleghe di Nichel sono costituite da elementi metallici aggiuntivi in grado di garantire presenza di carburi e precipitati intermetallici, i quali contribuiscono a fare stabilità e resistenza alla lega. Per questo motivo le superleghe a base nichel si prestano per applicazioni particolarmente severe in termini di sollecitazioni meccaniche, temperature, ambienti ossidanti e creep.

Le superleghe a base di Nichel si contraddistinguono da una composizione complessa, infatti possono contenere fino a 15 elementi diversi e ognuno di questi conferisce un aspetto differente alla lega stessa. Vediamoli nel dettaglio:

  • Titanio/molibdeno/tungsteno (conferiscono indurimento per soluzione solida)
  • manganese/boro/zirconio/silicio (bloccano la concentrazione delle impurezze nel bordo grano)
  • alluminio/cromo (permettono la formazione di ossidi)
  • vanadio/niobio/tantalio (determinano la formazione di carburi)
  • titanio/alluminio (fanno sì che si formino delle fasi indurenti intermetalliche)

Riguardo all’ultimo punto, gli intermetallici sono ottenuti attraverso trattamenti termici di solubilizzazione ed invecchiamento, ad esempio:

  • la fase ϒ1, costituita principalmente da Nichel ed altri elementi tra cui l’Alluminio;
  • la fase ϒ2, qualora la superlega di Nichel di partenza contenga Niobio (Inconel 718).

Tuttavia, non tutte le fasi sono positivamente accettate nelle superleghe di Nichel; ne esistono infatti talune che sono considerate come elementi indesiderati, in quanto determinano effetti di infragilimento del materiale, anziché di irrobustimento. Si tratta nello specifico delle fasi TCP (Topologically close-packed), che possono formarsi durante il trattamento termico.

Ma veniamo ora al punto in questione: è possibile utilizzare le superleghe di Nichel nella manifattura additiva?

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La manifattura additiva e le superleghe di Nichel

La manifattura additiva o, in inglese, additive manufacturing rappresenta un innovativo processo di produzione industriale che permette di ricreare componenti dalle forme complesse, con al contempo una riduzione di materie prime utilizzabili .

Tale processo funziona mediante l'utilizzo della stampa 3D, con la quale, aggiungendo strati progressivi di materiale, è possibile realizzare prodotti finiti e componenti dalle forme più complesse. Il vantaggio principale della lavorazione additiva sta nel fatto che durante il processo di creazione avviene anche la miscelazione delle componenti migliori per il prodotto finale, cosa non possibile nella metodologia classica, che prevede invece il modellamento di un unico blocco di partenza.
In particolare, nelle tecnologie di stampa 3D per deposizione a letto di polvere, ad oggi sussiste una difficoltà nel reperimento sul mercato di polveri di leghe non commerciali.

Come vi ho spiegato nel paragrafo precedente, le superleghe che più si contraddistinguono per stabilità ed elevate proprietà meccaniche, termiche e fisiche sono le superleghe di Nichel e in particolare Inconel 625 e Inconel 718.
Le polveri di superleghe così complesse a livello composizionale e microstrutturale possono presentare caratteristiche microstrutturali indesiderate oltre a criticità derivanti dalla produzione delle polveri stesse: porosità, morfologia, dimensione e taglia.
Per ottenere un componente finale di alta qualità è quindi necessario controllare il processo di stampa additiva a partire dalla produzione delle polveri utilizzate.

Tuttavia, come tutti i materiali sottoposti alle tecnologie additive, anche queste polveri presentano le tipiche tracce di pozza fusa che si genera durante la fase di stampa. A seconda della direzione di crescita della stampa 3D, i campioni di superlega di Nichel possono mostrare delle caratteristiche metallurgiche differenti:

  • grani colonnari lungo la direzione di crescita del componente
  • grani dentritici equiassiali in direzione ortogonale

Durante la stampa, a causa del continuo riscaldo e rapido raffreddamento indotto dalle passate laser e dalla presenza di elementi leganti come Niobio e Molibdeno all’interno della superlega stessa, il processo di segregazione degli elementi leganti può portare alla formazione sia di fasi che aumentano la resistenza del materiale (ϒ1 e ϒ2) che di fasi indesiderate che al contrario lo rendono più debole e quindi inadatto alle alte prestazioni.

Questi effetti collaterali mi permettono di introdurre un altro argomento correlato, rappresentato cioè dall'utilizzo dei forni a vuoto.

Trattamenti termici sottovuoto delle superleghe di Nichel

Per evitare gli effetti indesiderati di cui sopra, occorre portare avanti un'attenta analisi sulla composizione e sulla quantità delle fasi, in modo tale da poter intervenire nel correggere la microstruttura del materiale tramite degli appositi trattamenti termici in vuoto.

I trattamenti di solubilizzazione e invecchiamento vanno necessariamente effettuati in vuoto data la presenza di elementi leganti facilmente ossidabili in questo tipo di superleghe. La temperatura e la durata del trattamento sono controllati in modo preciso al fine di garantire un adeguato compromesso tra la solubilizzazione dei precipitati indesiderati e la crescita incontrollata del grano.

Il forno per trattamenti termici in vuoto consiste in una camera inerte e priva di ossigeno, dotata di apposite pompe per creare una condizione profonda di vuoto e da un sistema di controllo preciso della temperatura.
Il trattamento che viene effettuato all'interno del forno da vuoto permette di intervenire termicamente sui materiali più "difficili" e in modo più efficace rispetto ai classici forni industriali.

Per quanto attiene le componenti realizzate con stampa 3D, queste, essendo letteralmente costruite mediante la fusione delle polveri con il laser in atmosfera protetta, necessitano di un post-processo in atmosfera controllata che solo il forno per trattamenti termici sottovuoto può garantire.

Una volta usciti dal forno, i componenti prodotti con tecnologia additiva sono caratterizzati da una minore presenza di distorsioni o di eventuali difetti di fabbricazione e sono quindi pronti per essere applicati nei settori industriali strategici.

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