Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

Immaginate un mondo in cui possiamo costruire oggetti metallici giganti e complessi non tagliandoli da un grande blocco o versando metallo fuso in uno stampo, ma "stampandoli" strato dopo strato, come una stampante 3D per macchinari pesanti. Questo è il regno della Manifattura Additiva. Mentre alcune stampanti 3D utilizzano laser per fondere minuscole polveri metalliche, altre utilizzano una gigantesca torcia saldatrice robotica per fondere un filo mentre lo deposita. Questo metodo specifico è chiamato Wire Arc Directed Energy Deposition (WA-DED). Pensatelo come a una pistola per colla a caldo molto precisa e super veloce, ma invece della colla, sputa acciaio fuso.

Il materiale in questione è un tipo speciale di acciaio chiamato "acciaio maraging". Il nome sembra un mix di "mar" (per la martensite, una struttura cristallina super resistente) e "age" (perché diventa ancora più forte quando viene riscaldato e lasciato riposare, un processo chiamato invecchiamento o aging). È il tipo di metallo utilizzato per parti di razzi e strumenti ad alte prestazioni perché è incredibilmente tenace e resistente. Tuttavia, stampare questo specifico tipo di acciaio con una torcia saldatrice è complicato. Se la "pistola per colla" traballa o il calore è errato, il metallo può risultare debole o pieno di buchi. Gli scienziati hanno cercato di capire la ricetta perfetta di velocità, calore e velocità del filo per far sì che questo processo funzioni in modo affidabile. Questo è l'enigma che i ricercatori si sono posti la sfida di risolvere.

Il Grande Enigma della Stampa Metallica

In questo studio, un team di ricercatori provenienti dal Portogallo ha deciso di trattare il processo di stampa metallica come un gigantesco esperimento scientifico. Volevano trovare le impostazioni "Goldilocks" (né troppo grandi, né troppo piccoli, ma giuste) per stampare acciaio maraging 18Ni-350 utilizzando una torcia saldatrice alimentata a filo. Il loro obiettivo non era solo creare un blocco di metallo; volevano creare un blocco che fosse forte, tenace e privo di difetti, e poi vedere cosa succedeva quando gli avessero somministrato un trattamento termico speciale.

Trovare la Ricetta Perfetta
Il team ha iniziato giocando con tre manopole principali della loro macchina: quanto velocemente si muoveva la torcia (Velocità di Trasferimento), quanto velocemente veniva alimentato il filo nella fiamma (Velocità di Alimentazione del Filo) e quanta potenza elettrica veniva utilizzata (Tensione). Hanno utilizzato un metodo statistico intelligente chiamato "Design of Experiments" per testare decine di combinazioni senza sprecare mesi di tempo.

Hanno misurato la "stabilità dell'arco", che è essenzialmente quanto sia costante la fiamma della saldatura. Immaginate di cercare di disegnare una linea retta con una penna che continua a tremare; quello è un arco instabile. Se la penna è stabile, si ottiene una linea fluida. I ricercatori hanno scoperto che la Tensione e la Velocità di Alimentazione del Filo erano gli ingredienti più importanti. La velocità della torcia non contava molto.

Analizzando i numeri, hanno scoperto l'impostazione perfetta per mantenere la fiamma stabile:

• Velocità di Trasferimento: 481 mm/min
• Velocità di Alimentazione del Filo: 5,9 m/min
• Tensione: 23,4 V

Con queste impostazioni, hanno previsto che l'arco sarebbe stato stabile circa il 96,3% delle volte. È come trovare la pressione esatta per spremere un tubetto di dentifricio in modo che esca in un flusso perfetto e costante, senza schizzi.

Costruire le Pareti
Una volta trovata la loro ricetta perfetta, hanno costruito due tipi di pareti metalliche. Prima, hanno realizzato pareti sottili a singolo strato per testare quanto fosse forte il metallo quando veniva tirato (resistenza alla trazione). Successivamente, hanno costruito una parete molto più spessa disponendo quattro cordoni di metallo per strato, come se si impilassero mattoni con un piccolo sovrapporsi, per vedere come si comportava il metallo in una forma più realistica e massiccia.

I Risultati: Più Forte e Più Tenace
Quando hanno testato le pareti sottili, i risultati sono stati impressionanti.

• Prima del Trattamento Termico (As-Built): Il metallo era già piuttosto forte, con una resistenza alla trazione (Ultimate Tensile Strength) compresa tra 1253 MPa e 1366 MPa, a seconda della direzione della trazione.
• Dopo il Trattamento Termico (Invecchiato): Hanno riscaldato il metallo a 480 °C per 5 ore e lo hanno lasciato raffreddare. Questa è la parte dell' "invecchiamento". Improvvisamente, il metallo è diventato ancora più forte, raggiungendo i 1613 MPa e i 1687 MPa. Ancora meglio, è diventato più elastico (l'allungamento è passato da circa il 6% all' 8,5–10,2%).

Di solito, quando il metallo diventa più forte, diventa più fragile (come un ramoscello secco che si spezza). Ma qui, il metallo è diventato più forte e più flessibile. I ricercatori pensano che ciò sia dovuto al fatto che il trattamento termico ha levigato alcune delle minuscole imperfezioni lasciate dal processo di stampa.

La Sorpresa della Parete Spessa
Quando hanno esaminato la parete spessa a più strati, hanno trovato qualcosa di interessante riguardo alla sua durezza.

• Prima del Trattamento Termico: Era già piuttosto duro a 508 HV1.0.
• Dopo il Trattamento Termico: È diventato ancora più duro, raggiungendo i 625 HV1.0.

Il fatto che il metallo "as-built" fosse già così duro suggerisce che il processo di costruzione della parete spessa abbia agito come un mini-trattamento termico autonomo. Mentre ogni nuovo strato di metallo caldo veniva aggiunto, riscaldava leggermente gli strati sottostanti, temperandoli prima della cottura finale in forno.

Il Test della Tenacità
Infine, hanno testato quanta energia potesse assorbire il metallo prima di rompersi (tenacità all'impatto) utilizzando un test con martello oscillante (Charpy V-notch).

• As-Built: 438 ± 2 J
• Invecchiato: 440 ± 3 J

Ecco il colpo di scena: il trattamento termico ha reso il metallo più duro e resistente, ma non ha cambiato la quantità di energia che poteva assorbire. La tenacità è rimasta esattamente la stessa. I ricercatori spiegano che le caratteristiche che controllano la rottura del metallo erano già state stabilite durante il processo di stampa stesso, non durante il riscaldamento finale. È come se la "tenacità" di una tavoletta di cioccolato fosse determinata da come si mescolano gli ingredienti, non da come viene confezionata successivamente.

Cosa C'è Dopo?
Lo studio conclude che questo metodo è un modo praticabile per realizzare parti grandi, forti e tenaci in acciaio maraging 18Ni-350. Hanno trovato un "punto ottimale" per le impostazioni della macchina che funziona bene per la modalità di saldatura a "corto circuito". Tuttavia, notano che questo "punto ottimale" si trova proprio al limite delle impostazioni che hanno testato. Per trovare un vero ottimo globale, dovrebbero testare intervalli di impostazioni ancora più ampi. Suggeriscono anche che il lavoro futuro dovrebbe guardare più a fondo nei minuscoli cristalli all'interno del metallo e vedere se un diverso tipo di trattamento termico prima dell'invecchiamento finale possa rendere le parti ancora migliori.

In breve, questi ricercatori hanno capito come sintonizzare una gigantesca stampante 3D metallica per creare un acciaio super resistente che diventa ancora migliore dopo un bagno caldo, dimostrando che è possibile stampare parti complesse e ad alte prestazioni senza bisogno di una macchina laser da un milione di dollari.