Radiofrequency plasma spheroidization of lightweight complex concentrated superalloy Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20
Questo articolo presenta un nuovo metodo che combina la lega meccanica e la spheroidizzazione a radiofrequenza per produrre con successo polveri sferiche di alta qualità della superlega concentrata leggera Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20, le quali sono adatte alla produzione additiva e presentano una microstruttura dominata da fasi BCC con ordinamento locale B2.
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Il mondo dell'ingegneria aerospaziale sta costantemente spingendo contro un soffitto rigido: il punto di fusione dei materiali utilizzati per costruire motori a reazione e veicoli spaziali. Per decenni, il settore si è affidato alle superleghe a base di nichel, che sono incredibilmente resistenti ma iniziano a perdere la loro integrità strutturale quando le temperature si avvicinano ai 1.200 gradi Celsius. Per volare più in alto e più velocemente, gli ingegneri hanno bisogno di materiali che possano resistere a calore ancora più estremo. Ciò ha portato allo sviluppo di una nuova classe di metalli chiamati leghe complesse rifrattarie concentrate. Queste non sono semplici miscele di due o tre metalli; sono intricati blend di cinque o più elementi pesanti e resistenti al calore come tantalio, niobio e titanio. L'obiettivo è creare un materiale che sia non solo più forte alle ultra-alte temperature, ma anche più leggero delle leghe di nichel che mira a sostituire, riducendo il peso complessivo dell'aeromobile.
Tuttavia, trasformare queste ricette complesse in parti utilizzabili è un ostacolo significativo. Per fabbricare queste leghe utilizzando la moderna stampa 3D, nota come produzione additiva, gli ingegneri hanno bisogno della materia prima sotto forma di polvere fine e perfettamente rotonda. Se le particelle di polvere sono frastagliate o irregolari, non scorreranno fluidamente attraverso la macchina di stampa, portando a punti deboli e difetti nell'oggetto finale. Creare queste polveri è notoriamente difficile perché gli elementi coinvolti sono così reattivi e hanno punti di fusione così elevati che i metodi tradizionali spesso falliscono nel produrre un prodotto pulito e sferico. Un team di ricercatori nella Repubblica Ceca ha affrontato recentemente questo problema combinando due processi distinti: prima, la macinazione degli elementi metallici grezzi in una polvere grezza, e secondo, l'uso di un getto di gas surriscaldato per fondere e rimodellare quelle particelle in sfere perfette.
I ricercatori sono partiti da una specifica ricetta di lega contenente alluminio, niobio, tantalio, titanio, vanadio e zirconio. Hanno iniziato prendendo polveri grezze di questi sei elementi e macinandole insieme in un mulino ad alta energia per 48 ore. Questo processo, noto come lega meccanica, ha costretto le diverse particelle metalliche a legarsi e mescolarsi a un livello microscopico. Il risultato è stato una polvere chimicamente uniforme ma fisicamente frastagliata e irregolare, simile a ghiaia frantumata. Sebbene questa miscela contenesse gli ingredienti corretti, era inutile per la stampa 3D nel suo stato attuale. Il team ha poi alimentato questa polvere grezza in una macchina specializzata che utilizza plasma a radiofrequenza, un flusso di gas ionizzato riscaldato a temperature di circa 10.000 gradi Celsius. Mentre le particelle frastagliate volavano attraverso questo calore intenso, fondevano istantaneamente. Una volta fuse, la forza naturale della tensione superficiale ha tirato le gocce di metallo liquido in sfere perfette, proprio come una goccia d'acqua forma una pallina nello spazio. Le particelle si sono poi raffreddate così rapidamente da congelare in questa forma sferica, pronte per l'uso nella produzione additiva.
La trasformazione è stata in gran parte riuscita. La polvere risultante consisteva in sfere quasi perfette con una distribuzione dimensionale ideale per la stampa, con una media di circa 39 micrometri per le particelle che sono cadute nella camera di raccolta. I ricercatori hanno scoperto che il processo funzionava abbastanza bene da fondere anche gli elementi più ostinati ad alto punto di fusione presenti nella miscela. Tuttavia, il viaggio non è stato privo di complicazioni. Sebbene la forma della polvere fosse stata migliorata, la purezza chimica non era perfetta. L'analisi ha rivelato che la polvere conteneva livelli di ossigeno e azoto più elevati rispetto alle materie prime originali. Questa contaminazione è probabilmente avvenuta perché le minuscole particelle, mentre volavano attraverso il plasma, agivano come spugne, assorbendo gas dall'ambiente circostante. La presenza di questi elementi extra è stata significativa; ha reso le particelle di polvere finale più dure del previsto, un fenomeno che i ricercatori hanno attribuito all'effetto di rinforzo di questi gas intrappolati piuttosto che alla composizione stessa della lega.
All'interno delle sfere appena formate, i ricercatori hanno scoperto una struttura interna complessa. Alcune particelle erano uniformi, mentre altre mostravano un modello distinto di due fasi diverse, simile al modo in cui i cristalli di ghiaccio si formano in una bevanda granita. Una fase era ricca di alluminio e zirconio, mentre l'altra era dominata da tantalio e niobio. Questa separazione è avvenuta perché le particelle si sono raffreddate così rapidamente che i diversi elementi non hanno avuto il tempo di mescolarsi completamente prima di solidificarsi. Il team ha anche trovato minuscoli cristalli aghiformi di un composto fatto di zirconio e carbonio incorporati nel metallo. Questi cristelli si sono formati perché una piccola quantità di etanolo, utilizzata in precedenza durante il processo di macinazione per evitare che la polvere si attaccasse tra le particelle, ha introdotto carbonio nella miscela. Il carbonio si è poi legato con lo zirconio durante l'intenso riscaldamento del plasma.
Lo studio conclude che questo metodo di macinazione e successiva fusione è una via percorribile per creare le polveri di alta qualità necessarie per i materiali aerospaziali di prossima generazione. Il processo ha trasformato con successo la polvere metallica frastagliata e irregolare in un feedstock liscio e sferico che può essere utilizzato nelle stampanti 3D. Eppure, i ricercatori avvertono che il cammino verso la perfezione non è ancora completo. La presenza di gas indesiderati e la formazione di composti di carbonio inaspettati suggeriscono che il processo necessita di ulteriori raffinamenti per garantire che il materiale finale sia chimicamente puro. Il team sottolinea che, affinché queste leghe avanzate possano raggiungere il loro pieno potenziale, il controllo della purezza dell'ambiente gassoso e della pulizia delle apparecchiature è importante quanto il controllo della temperatura. Comprendendo questi dettagli sottili, gli ingegneri possono avvicinarsi alla stampa di parti aeronautiche più leggere, più forti e capaci di operare in ambienti che prima erano impossibili da raggiungere.
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