Il team utilizza la stampa 3D per rafforzare un materiale chiave nel settore aerospaziale, l'energia

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I materiali chiave per molte importanti applicazioni nel settore aerospaziale e nella produzione di energia devono essere in grado di resistere a condizioni estreme come temperature elevate e sollecitazioni di trazione senza cedere. Ora un team di ingegneri guidati dal MIT presenta un modo semplice ed economico per rafforzare uno dei materiali chiave utilizzati oggi in tali applicazioni.

Inoltre, il team ritiene che il loro approccio generale, che prevede la stampa 3D di una polvere metallica rinforzata con nanofili ceramici, potrebbe essere utilizzato per migliorare molti altri materiali. "C'è sempre una significativa necessità di sviluppare materiali più adatti per ambienti estremi. Crediamo che questo metodo abbia un grande potenziale per altri materiali in futuro", afferma Ju Li, professore di ingegneria nucleare della Battelle Energy Alliance e professore di ingegneria nucleare. Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT (DMSE).

Li, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory (MRL), è uno dei tre autori corrispondenti di un articolo sul lavoro apparso nel numero del 5 aprile di Additive Manufacturing. Gli altri autori corrispondenti sono il professor Wen Chen dell'Università del Massachusetts ad Amherst e il professor A. John Hart del Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT.

I co-primi autori dell'articolo sono Emre Tekoğlu, un postdoc del MIT presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari (NSE); Alexander D. O'Brien, uno studente laureato della NSE; e Jian Liu dell'UMass Amherst. Altri autori sono Baoming Wang, un postdoc del MIT in DMSE; Sina Kavak dell'Università Tecnica di Istanbul; Yong Zhang, specialista in ricerca presso l'MRL; Quindi Yeon Kim, uno studente laureato DMSE; Shitong Wang, uno studente laureato della NSE; e Duygu Agaogullari dell'Università Tecnica di Istanbul.

Verso prestazioni migliori

L'approccio del team inizia con Inconel 718, una popolare "superlega", o metallo in grado di resistere a condizioni estreme come temperature di 700 gradi Celsius (circa 1.300 gradi Fahrenheit). Macinano polveri commerciali di Inconel 718 con una piccola quantità di nanofili ceramici, ottenendo "la decorazione omogenea delle nano-ceramiche sulle superfici delle particelle di Inconel", scrive il team.

La polvere risultante viene quindi utilizzata per creare parti tramite fusione laser a letto di polvere, una forma di stampa 3D. Questo processo prevede la stampa di sottili strati di polvere, ciascuno esposto a un laser che si muove attraverso la polvere, sciogliendola secondo uno schema specifico. Quindi viene steso un altro strato di polvere sulla parte superiore e il processo si ripete con il laser che si muove per fondere il motivo del nuovo strato e unirlo allo strato sottostante. Il processo complessivo può produrre parti 3D complicate.

I ricercatori hanno scoperto che le parti realizzate in questo modo con la loro nuova polvere hanno una porosità significativamente inferiore e meno crepe rispetto alle parti realizzate solo con Inconel 718. E questo, a sua volta, porta a parti significativamente più resistenti che presentano anche una serie di altri vantaggi. Ad esempio, sono più duttili – o estensibili – e hanno una resistenza molto migliore alle radiazioni e ai carichi ad alta temperatura.

Inoltre, il processo in sé non è costoso perché "funziona con le macchine da stampa 3D esistenti. Basta usare la nostra polvere e otterrai prestazioni molto migliori", afferma Li.

Xu Song, un assistente professore presso l'Università cinese di Hong Kong che non è stato coinvolto nel lavoro, commenta: "In questo articolo, gli autori propongono un nuovo metodo per stampare compositi a matrice metallica di Inconel 718 rinforzati da nanofili [ceramici]. La dissoluzione in situ della ceramica indotta dal processo di fusione laser ha migliorato la resistenza termica e la forza dell’Inconel 718. Inoltre, i rinforzi in situ hanno ridotto la dimensione dei grani ed eliminato i difetti. compresa la modifica per il rame ad alta riflettività e la soppressione delle fratture per le superleghe, possono chiaramente trarre vantaggio da questa tecnica."