Introduzione
L’industria aerospaziale ha sviluppato svariate leghe ad alta resistenza per i componenti del carrello di atterraggio più cruciali come ad esempio i cilindri idraulici, i perni e gli assali. Diverse di queste leghe sono nella famiglia di acciai al carbonio AISI 4340, che hanno meno del 3 % in peso di nichel e cromo e per questo richiedono coperture per prevenire l’ossidazione. Storicamente, questi componenti erano rivestiti con cadmio o cromo, che forniscono una maggiore resistenza a ossidazione e alle abrasioni ma a livello ambientale non sono più sostenibili. Oggi, c’è una spinta per soluzioni alternative che evitano questi metalli pericolosi, come i rivestimenti a spruzzo termico ad alta velocità a combustibile di ossigeno (HVOF) su acciaio al carbonio o acciaio inossidabile. Questa nota applicativa descrive la chimica della superficie e la microstruttura di un cilindro del carrello di atterraggio in acciaio inossidabile di GKN Aereospace, usato come sostituto di un acciaio al carbonio rivestito.
Figura 1. Esempio di un carrello di atterraggio di un Airbus A340-600
Questa lega è prodotta grazie alla fusione a induzione sotto vuoto e una rifusione ad arco sotto vuoto. La composizione finale è determinata utilizzando uno spettrometro ad emissione ottica Thermo Scientific™ ARL™ iSpark 8860 (Tabella 1).
La parte più unica di questa lega è il contenuto di titanio inferiore a 1.5 % in peso. Questa elevata percentuale di titanio è utilizzata per l’indurimento per precipitazione, producendo la fase intermetallica η-Ni₃Ti. Il titanio, però può reagire con il carbonio, l’azoto, lo zolfo o l’ossigeno nell’acciaio se ne ha l’occasione, quindi sono state adottate tutte le misure per ridurre la loro presenza e minimizzare la formazione di composti TiC, TiN, TiS o TiO₂.
Tabella 1. Composizione del carrello d’atterraggio in acciaio inox in peso percentuale, se non diversamente specificato
Risultati
Integrato nel sistema GST Talos F200X il software Thermo Scientific™ Automated Particle Workflow, o APW, permette l‘imaging automatico senza necessità della presenza di un operatore e la determinazione dimensionale delle particelle analizzate al TEM. Il sistema acquisisce immagini ad alta risoluzione di ogni singolo campo su un’area totale di 1 μm2. Per ogni campo sono acquisite le immagini STEM e ,se necessario, una mappa EDS di distribuzione degli elementi. Scelta una mappa EDS, in questo caso il nickel, sono state determinate automaticamente le dimensioni delle particelle per rappresentare i precipitati η-Ni3Ti. In figura 2 si riporta la mappa EDS del nickel, una mappa segmentata di particelle e un istogramma delle dimensioni. Si è ottenuta una lunghezza media di 12 nm sulle più di 4.000 particelle misurate. Questo risultato conferma la distribuzione dimensionale delle particelle, responsabile dell’indurimento dovuto alla precipitazione. E’ interessante notare che qualsiasi cambiamento futuro nella composizione o nel trattamento termico può essere testato nello stesso modo per comparazione.
Figura 2. Imaging TEM automatizzato ad ampio raggio, mappatura EDS e dimensionamento delle particelle.
Conclusione
I cilindri del carrello di atterraggio in acciaio inossidabile sono stati studiati da diverse prospettive. Prima, gli strati di passivazione e la colorazione superficiale sono stati caratterizzati mediante XPS. Successivamente, le inclusioni superficiali (struttura del TiN incompleta) e le inclusioni di bulk (struttura TiN e TiS intatta) sono quantificate grazie al SEM. Infine, i precipitati su scala nanometrica sono identificati e quantificati con TEM EDS e il software Automated Particle Workflow. La valutazione tramite XPS, SEM e TEM fornisce una comprensione migliore di queste leghe di base, che porta a miglioramenti nelle varie fasi del processo produttivo. Questo studio apre la possibilità di impiego di leghe di acciaio inox come una alternativa a minor impatto ambientale al tradizionale acciaio al carbonio rivestito.
