Risposta meccanica gerarchica ed eterogenea multiscala di una nuova lega di Al prodotta in modo additivo studiata dall'alto

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18344 (2022) Citare questo articolo

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La lega intelligente e l'ingegneria microstrutturale mitigano le sfide associate alla produzione additiva con fusione di letti di polvere laser (L-PBFAM). Una nuova lega Al–Ni–Ti–Zr ha utilizzato l'affinamento del grano mediante nucleazione eterogenea e solidificazione eutettica per ottenere una sinergia superiore tra prestazioni e stampabilità. I test meccanici convenzionali non possono delineare la micromeccanica complessa di tali leghe. Questo studio ha combinato la mappatura nanomeccanica e microstrutturale multiscala per illustrare le firme meccaniche associate alla distribuzione gerarchica del calore e alla rapida solidificazione di L-PBFAM. L'effetto di indurimento sproporzionato impartito da Al3(Ti,Zr) precipita nei confini della piscina e nella zona semisolida è stato dimostrato con successo. La risposta nanomeccanica associata all'eterogeneità nella frazione volumetrica delle particelle e alla coerenza nel pool di fusione è stata interpretata dalle curve forza-spostamento della nanoindentazione. La mappa della durezza delineava efficacemente le sezioni più deboli e più forti della piscina con precisione microscopica. L'approccio presentato funge da metodologia ad alto rendimento per stabilire la correlazione tra chimica, lavorazione, microstruttura e proprietà delle leghe di nuova concezione per L-PBFAM.

L’adozione della produzione additiva con fusione laser a letto di polvere (L-PBFAM) sta riscrivendo il paradigma di produzione nei settori aerospaziale, biomedico e della difesa. La capacità dirompente di questa tecnologia deriva innanzitutto dalla straordinaria flessibilità progettuale, compositiva e microstrutturale1. Tuttavia, l’L-PBFAM delle leghe di Al rimane problematico a causa della scarsa assorbenza del laser, dell’elevata suscettibilità alla fessurazione e della rapida tendenza all’ossidazione della materia prima2. Sebbene le leghe di Al con composizione eutettica o quasi eutettica (come le leghe di Al ricche di Si) abbiano mostrato un'apprezzabile stampabilità, le loro proprietà meccaniche non sono in linea con le aspettative del settore3. D'altro canto, le leghe di Al ad alta resistenza soffrono pesantemente di cracking a caldo durante il processo L-PBFAM4,5. Una strategia di mitigazione efficace è stata quella di selezionare attentamente la composizione della lega per migliorare la resistenza alla fessurazione ottenendo allo stesso tempo proprietà meccaniche equivalenti o migliori di quelle delle leghe di alluminio ad alta resistenza6. L'approccio di progettazione delle leghe basato sull'ingegneria computazionale integrata dei materiali (ICME) ha recentemente prodotto diverse nuove leghe di Al stampabili e ad alta resistenza7. Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale commerciale di queste nuove leghe, è necessario un uso minimo di materie prime costose come Sc o polveri inoculate (le materie prime rappresentano circa il 15% dei costi di produzione) e un ampliamento della finestra di lavorazione per migliorare la flessibilità di produzione8.

Una nuova lega Al–Ni–Ti–Zr con eccellente sinergia tra stampabilità e prestazioni, riportata da Thapliyal et al.9, soddisfa questi criteri e ha il potenziale per un'ampia adozione industriale. Due importanti attributi microstrutturali del materiale consentono questa impresa. Il primo attributo è la solidificazione ritardata dell'eutettico Al-Al3Ni, che riduce al minimo l'intervallo di congelamento terminale e facilita il riempimento del liquido nelle fasi finali della solidificazione (~ 640 °C). Ciò elimina le crepe a caldo e consente la stampa di parti ad alta densità su un'ampia gamma di velocità di scansione e potenze laser. Il secondo fattore è una microstruttura eterogenea attentamente progettata costituita da grani multimodali, particelle e segregazione eutettica Al3Ni-Al. Questa microstruttura attiva vari meccanismi di rinforzo, migliora l'incrudimento e fornisce un'elevata sinergia resistenza-duttilità nel materiale. La separazione dai grani colonnari grossolani tipicamente associata a L-PBFAM e la presenza di grani equiassici è dovuta alla formazione di particelle L12 Al3(Ti,Zr) in una fase iniziale di solidificazione. Queste particelle forniscono siti energeticamente favorevoli per la nucleazione eterogenea (HN) e il sottoraffreddamento selettivo, ingegnerizzando una microstruttura equiassica ultrafine vicino ai confini della piscina. Queste regioni ultrafini interrompono la crescita colonnare e aiutano anche a mitigare le crepe calde. A causa di molteplici cicli termici e fenomeni di rifusione durante L-PBFAM, nel componente finale si ottiene un livello complesso di eterogeneità e gerarchia microstrutturale.