Prestazioni del filo ad alta temperatura

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4541 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Nello sviluppo di un processo di deposizione di energia diretta ad arco metallico per superleghe utilizzate in ambienti di volo ad alta velocità, Inconel 718 è stato depositato utilizzando un processo ad arco plasma e testato per le sue prestazioni ad alta temperatura. Il materiale depositato è stato testato sia nella condizione depositata che dopo un trattamento termico di indurimento per invecchiamento standard del settore per questa lega. I risultati hanno mostrato prestazioni ridotte in entrambe le condizioni di deposito, con il materiale trattato termicamente che ha prestazioni significativamente superiori a quelle del materiale depositato fino a 538 °C. La differenza nelle prestazioni era meno significativa da 760 a 1000 °C, a causa di un processo di invecchiamento in-test che aumentava le prestazioni del materiale depositato. La microstruttura del materiale depositato ha mostrato significative fessurazioni in tutta la lega e formazione di fasi secondarie in tutta la matrice, con precipitazioni significativamente maggiori dopo il trattamento termico.

La Cranfield University è specializzata nello sviluppo di processi di produzione additiva (AM) con deposizione diretta di energia (DED). Questo studio si concentra sul DED wire-arc, noto anche come Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM); dove viene utilizzato un arco elettrico per depositare una materia prima del filo1 e dove i tassi di deposizione sono un ordine di grandezza maggiore rispetto a vari altri processi AM metallici.

Molte applicazioni legate al volo ad alta velocità richiedono resistenza alle alte temperature che richiede l'uso di leghe speciali come le superleghe a base di nichel o Hastelloy. La produzione di queste leghe utilizzando WAAM consentirà significative riduzioni dei costi rispetto alla produzione convenzionale grazie al risparmio di materiale e con tempi di consegna notevolmente ridotti. Inoltre, accelererà notevolmente lo sviluppo di nuovi progetti, poiché i prototipi potranno essere realizzati più rapidamente e in modo più conveniente. Questo articolo esplorerà l'effetto che il processo WAAM ha sulle proprietà di trazione ad alta temperatura dell'Inconel 718 (IN718).

Inconel 718 è una superlega a base di nichel indurita per invecchiamento, una delle leghe più utilizzate nei componenti dei motori aerospaziali. IN718 è stato sviluppato per il servizio ad alta temperatura, in quanto tale è stato progettato per resistenza a temperature più elevate, resistenza al creep e buona durata a fatica fino a 650 °C2.

Un'indagine sulle proprietà di trazione a temperatura ambiente e sulla macrostruttura del DED IN718 ad arco metallico è stata analizzata in un precedente studio di James et al., tra le altre leghe. Hanno scoperto che le leghe indurite per invecchiamento depositate (AD) avevano prestazioni significativamente inferiori rispetto alla resistenza alla lavorazione dichiarata in letteratura3,3. È stato dimostrato che il trattamento termico del DED IN718 ad arco metallico migliora le proprietà di trazione, Seow et al. hanno riportato una prestazione di trazione a temperatura ambiente (RT) dell'86% dell'UTS battuto con un trattamento termico modificato4.

Bhujangrao et al. hanno studiato le prestazioni alle alte temperature del WAAM IN718 rispetto al materiale lavorato e hanno scoperto che la formazione delle fasi di Laves porta a una riduzione delle prestazioni del materiale WAAM, che secondo loro è dovuto al comportamento fragile della fase di Laves che agisce come una frattura preferita percorso5. Il lavoro di Lan et al. riporta inoltre la formazione della fase di Laves tra i bracci dendritici e la sua associazione con il cracking8. Artaza et al. hanno studiato metodi per controllare la formazione di crepe nel WAAM IN718, nello studio hanno scoperto che l'utilizzo di una strategia di raffreddamento interpass controlla la formazione delle fasi di Laves e riduce la formazione di crepe6.

Utilizzando la laminazione in situ con il laser DED, Li et al. hanno scoperto che attraverso l'uso della laminazione meccanica degli strati depositati, le fasi di Laves formate in IN718 erano più disperse e si trovavano in una frazione di volume inferiore rispetto al materiale depositato. Hanno anche scoperto che il DED laser assistito dal rotolamento ha migliorato le proprietà di trazione dell’IN7189.

Per comprendere più in dettaglio l'effetto che il processo WAAM ha sulle proprietà di trazione ad alta temperatura dell'AD e dell'IN718 trattato termicamente per un'applicazione di volo ad alta velocità, i test sono stati condotti da RT—1000 °C. Si prevede che l'applicazione sottoponga le strutture esterne a temperature di servizio fino a 1000 K (727 °C) e 1200 + K (927 °C) per i componenti nel percorso del flusso di propulsione.