Ottimizzare la progettazione di leghe per la produzione additiva
L’industria manifatturiera europea deve affrontare le continue sfide poste dalla concorrenza globale e dalla transizione verso l’efficienza energetica e delle risorse. I nuovi materiali metallici ossido-dispersoidi rinforzati (ODS, oxide-dispersoid strengthened) potrebbero apportare importanti miglioramenti all’industria di processo grazie alla creazione di dispositivi ad alta temperatura integrati con sensori, come le teste dei bruciatori a gas e gli scambiatori di calore. Nell’ambito del progetto topAM(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, un consorzio di ricerca si è posto l’obiettivo di sviluppare nuovi percorsi di lavorazione per la creazione di materiali ODS a base di vari metalli dispersi con particelle di ossido e nitruro di dimensioni nanometriche. Il progetto si propone di offrire nuovi materiali metallici nanostrutturati che possano essere costruiti secondo strutture di forma complessa mediante l’impiego della stampa 3D, ovvero la fusione a letto di polvere con raggio laser (PBF-LB/M, laser-beam powder bed fusion). «Le leghe ODS sviluppate possono essere utilizzate in atmosfere altamente carbonizzanti e ossidanti con temperature di esercizio fino a 1 400 °C, ad esempio negli impianti dei gas di sintesi per la produzione di idrogeno», spiega Ulrich Krupp(si apre in una nuova finestra), docente e titolare della cattedra di Ingegneria dei materiali metallici presso l’IHEK Steel Institute della RWTH Aachen University. «Ciò è stato dimostrato in un test su un bruciatore a gas utilizzando una superlega rinforzata a base di nichel stampata in 3D.» La ricerca potrebbe non solo aiutare le industrie manifatturiere, ma anche contribuire allo sviluppo di centrali elettriche pulite su larga scala: molte delle tecnologie leader nella generazione di energia, infatti, fanno affidamento sull’utilizzo sicuro ed efficiente di materiali e dispositivi ad alta temperatura.
Integrare l’ingegneria computazionale nella produzione di ODS
Per migliorare il processo di produzione degli ODS, il team si è avvalso di un percorso di sviluppo basato sull’ingegneria computazionale integrata dei materiali (ICME, integrated computational materials engineering) che ha previsto l’impiego della termodinamica computazionale al fine di prevedere il verificarsi delle varie fasi all’interno delle leghe complesse, a seconda della loro composizione chimica individuale. «In una fase successiva, abbiamo utilizzato modelli allo scopo di prevedere la resistenza allo scorrimento delle leghe in base alle dimensioni e alla frazione di volume delle particelle ODS», spiega Krupp. Ciò ha permesso al team di simulare la concentrazione necessaria dell’elemento di lega che forma le particelle.
Migliorare la modifica delle polveri grazie alle nanoparticelle
topAM ha dato avvia ai lavori con una serie di potenziali percorsi di modifica delle polveri per integrare le nanoparticelle nel processo di produzione, mettendo in atto una ricerca in base alla quale è stato rilevato che i risultati migliori sono stati conseguiti dai processi di nitrurazione interna. Nel corso dell’atomizzazione a gas, ovvero l’atomizzazione della lega liquida mediante una miscela ad alta pressione di argon e azoto, la piccola concentrazione di titanio nelle gocce di lega è in grado di reagire con il flusso di azoto gassoso in loco. «Un risultato analogo è stato ottenuto esponendo la polvere di lega all’atmosfera di nitrurazione di un reattore a letto fluido ex situ», osserva Krupp, che ha rivestito il ruolo di coordinatore del progetto topAM. La microscopia elettronica ad alta risoluzione ha messo in mostra una distribuzione uniforme delle particelle di nitruro di titanio di dimensioni nanometriche. «I campioni stampati in 3D con le rispettive polveri ODS hanno evidenziato proprietà meccaniche superiori, in particolare a temperature elevate», spiega Krupp. Lo sviluppo di leghe ODS basato sull’ICME e la modifica della polvere mediante il reattore a letto fluido sono già oggetto di domande di brevetto e sono stati avviati progetti di follow-up in tale direzione, tra cui iniziative orientate a diversi campi di applicazione, come le applicazioni aerospaziali e gli interruttori ad alta tensione.
Potenziare le capacità produttive dell’Europa
Le leghe ODS offrono combinazioni uniche di forza, nonché resistenza allo scorrimento e alla corrosione a temperature molto elevate, mentre la stampa 3D tramite fusione a letto di polvere consente di realizzare una progettazione altamente personalizzata. «In tal modo vengono soddisfatti i requisiti strutturali e funzionali dei prodotti più esigenti, come quelli utilizzati nelle applicazioni aerospaziali e nelle tecnologie energetiche», aggiunge Krupp, che conclude: «L’industria di processo e le unità di raffreddamento ad alta efficienza nella microelettronica su larga scala possono essere realizzate anche al fine di mantenere la competitività e l’indipendenza dell’Europa in segmenti di mercato strategici e in crescita.»
