La Metal additive manufacturing (AM) consiste nel fondere rapidamente e raffreddare rapidamente le leghe per costruire nuove strutture strato per strato. Ciò permette a forme complesse di essere prodotte con maggiori dettagli e minor spreco rispetto ai metodi tradizionali di forgiatura o lavorazione dei metalli. Potenziali metodi di AM includono la fusione del letto di polvere, direct laser deposition (DLD) e AM ad arco. I metodi a base di polvere utilizzano particelle sferiche di una specifica lega di circa 20-120 μm di diametro; molte sono di alluminio, titanio, acciaio e altre superleghe simili. In questa nota applicative, la DLD è stata usata per produrre campioni di prova che imitano, dal punto di vista della composizione, le pale di turbina di un motore turbofan prodotti con tecnologia tradizionale. La DLD indirizza un laser, la polvere e gas inerte indirizzati attraverso un ugello verso lo stesso punto su un substrato, ed è particolarmente adatto a AM di parti, per il rivestimento di un materiale su un altro o per la riparazione di forme complesse.
Figura 1. Esempio di directed laser deposition (DLD) per la metal additive manufacturing
La prima parte dei rotori in una turbina deve sopportare gli stress termici e meccanici più alti del motore, motivo per il quale le superleghe a base di nichel sono spesso utilizzate per questi componenti, dove la resistenza alle rotture da fatica o sforzo è particolarmente importante. In questo studio, la DLD è stata utilizzata per produrre campioni di prova della lega 718, una superlega a base di nichel che contiene ferro e cromo, per rinforzare il metallo di base austenitico (γ). Ulteriori elementi leganti come niobio, titanio e alluminio sono aggiunti per combinarsi con il nichel per formare precipitati semicoerenti su scala nanometrica (Ni3Nb γ” and Ni3(Ti,Al) γ’) che forniscono gran parte della resistenza allo sforzo e alla fatica ad alta temperatura. Questi campioni sono stati esaminati sia in scala macrometrica che nanometrica con una combinazione di microscopia elettronica a scansione (SEM) e a trasmissione (TEM).
Figura 2. Sezione trasversale di un motore turboventola per aerei passeggeri. In figura da sinistra a destra: le zone di compressione, la zona di combustione e la zona di alta pressione.
Conclusione
I campioni di prova in superleghe di nichel sono stati prodotti tramite tecnica DLD, una tecnica consolidata di produzione additiva. Le tecniche SEM, TEM, EDS e di diffrazione sono state combinate per fornire una quadro completo della lega 718 realizzata a diverse velocità del laser di produzione. La formazione della fase di rafforzamento γ nella fase di deposizione è stata dimostrata positivamente attraverso immagini acquisite con il TEM Talos F200X. Anche se questo è stato valutato come un successo, la formazione di una fase fragile non voluta di NbC si è originata a causa di fenomeni di segregazione in modo prevalente per le prove con bassa velocità del laser. Il Phenom ParticleX Steel Desktop SEM quantifica le fasi di NbC di dimensioni micrometriche e le inclusioni di Al2023, così come i vuoti che si formano durante la produzione. Gli strumenti di microscopia elettronica forniscono informazioni che permettono la caratterizzazione multi scala e multi modale dei campioni, identificando i vantaggi e le limitazioni della tecnica DLD per la produzione di parti per il settore aeronautico.
Figura 3. Imaging SEM automatizzato dei campioni a velocità laser lenta e veloce campioni. Su questi diagrammi ternari Ti-Nb-Al è mostrata solo la classe NbC.
