Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy

Nella ricerca di macchine più leggere e resistenti, gli ingegneri si rivolgono spesso all'alluminio. È un metallo che pesa circa un terzo del ferro, pur possedendo la forza e la resistenza alla ruggine necessarie per i lavori impegnativi nel settore aerospaziale e della difesa. Tuttavia, trasformare questo metallo in parti complesse e di forma personalizzata è difficile. I metodi tradizionali come la fusione o la lavorazione meccanica possono essere dispendiosi o limitati in termini di forme che possono creare. Un approccio più recente, noto come produzione additiva, costruisce oggetti strato dopo strato, molto simile a una stampante 3D, ma su una scala molto più grande. Sebbene questa tecnologia offra grandi promesse, deve affrontare un ostacolo significativo: l'intenso calore utilizzato per fondere il filo metallico può causare un raffreddamento non uniforme del materiale. Questo raffreddamento disomogeneo porta spesso a strutture cristalline grandi e deboli e a minuscoli fori interni, che possono rendere la parte finale soggetza a crepe o rotture sotto stress. Per un tipo specifico di lega di alluminio utilizzato in applicazioni critiche, noto come serie 2319, questi difetti sono particolarmente problematici, limitando le prestazioni del metallo nelle condizioni reali.

Per risolvere questo problema, ricercatori della Dalian University of Technology e della Huaqiao University hanno sviluppato un nuovo metodo che combina due processi distinti: una sorgente di calore ibrida e una pressione meccanica. Hanno utilizzato una tecnica chiamata produzione additiva ad arco indotto da laser, che fonde il filo di alluminio utilizzando una combinazione di un arco elettrico e un laser a bassa potenza. Questo approccio ibrido aiuta a creare un fuso più stabile rispetto all'uso del solo arco elettrico. Ma la vera innovazione risiede in ciò che accade immediatamente dopo che ogni strato viene depositato. Invece di lasciare che il metallo caldo si raffreddi naturalmente, il team ha fatto passare un rullo pesante sopra lo strato fresco mentre era ancora caldo. Questo processo, noto come micro-laminazione, appiattisce la superficie e applica pressione al metallo. I ricercatori volevano vedere se questo semplice atto di laminazione potesse riparare i difetti interni causati dal calore e migliorare la resistenza della parte finale in alluminio.

Il team ha costruito blocchi di prova utilizzando il filo di lega di alluminio 2319, creando campioni con e senza il passaggio di laminazione. Hanno poi esaminato attentamente questi blocchi per vedere cosa accadeva all'interno del metallo. Senza la laminazione, il metallo si è raffreddato in una struttura dominata da cristalli lunghi, simili a colonne, che crescevano verso l'alto, proprio come i cristalli di ghiaccio potrebbero formarsi in un congelatore. Questi cristalli lunghi, insieme a una rete di modelli fragili e simili a ragnatele formati dalla miscelazione di rame e alluminio, creavano punti deboli nel materiale. Anche la superficie di questi campioni non laminati era irregolare, con piccoli avvallamenti e increspature lasciati dall'arco di saldatura. Quando i ricercatori hanno applicato il processo di laminazione, i risultati sono cambiati drasticamente. La pressione del rullo ha appiattito la superficie, rimuovendo le increspature e creando una base liscia e livellata per lo strato successivo. Più importante ancora, la pressione meccanica ha frammentato i lunghi cristalli colonnari e i fragili modelli a ragnatela. Al loro posto, il metallo ha formato grani piccoli, uniformi e tondeggianti, distribuiti equamente in tutto il materiale.

Questa trasformazione nella struttura interna del metallo ha avuto un impatto diretto e misurabile sulla sua forza. I ricercatori hanno scoperto che i campioni laminati erano significativamente più duri e resistenti di quelli non laminati. In media, la durezza del metallo laminato è aumentata del 4,6 percento e la sua capacità di resistere all'essere tirato, nota come resistenza alla trazione, è migliorata del 9,13 percento. Il metallo è diventato anche più consistente; le variazioni di resistenza da un punto all'altro sono state ridotte, il che significa che la parte si comporterebbe in modo più prevedibile sotto stress. Il processo di laminazione ha anche aiutato a eliminare le minuscole sacche d'aria, o pori, che spesso rimangono intrappolati all'interno del metallo durante il processo di fusione. Nei campioni non laminati, questi pori erano più grandi e tendevano ad ammassarsi, agendo come punti deboli dove le crepe potevano iniziare. Nei campioni laminati, questi pori erano molto più piccoli e distribuiti uniformemente, rendendo molto più difficile la formazione e la crescita di una crepa.

La ragione di questo miglioramento risiede nel modo in cui il metallo ha reagato alla pressione e al calore. Quando il rullo ha premuto sul metallo caldo, ha costretto gli atomi a riorganizzarsi e i cristalli a frammentarsi in pezzi più piccoli. Questo processo ha creato un'alta densità di difetti interni chiamati dislocazioni, che agiscono come una barriera al movimento, rendendo il metallo più difficile da deformare. Mentre il successivo strato di metallo fuso veniva aggiunto sopra, il calore di quel nuovo strato ha agito come un delicato trattamento di ricottura, permettendo al metallo di assestarsi in una nuova struttura più fine senza perdere i benefici della pressione. Gli elementi di rame e manganese all'interno della lega, che a volte possono raggrupparsi e causare debolezza, sono stati anch'essi distribuiti in modo più uniforme dalla laminazione. Questa distribuzione uniforme ha impedito la formazione di grandi cluster fragili che potevano indebolire il componente. I ricercatori hanno osservato che la direzione in cui crescevano i cristalli del metallo è diventata meno dominante, riducendo la tendenza del materiale ad essere forte in una direzione ma debole in un'altra.

In definitiva, lo studio dimostra che aggiungere un semplice passaggio di laminazione al processo di produzione può trasformare un normale componente in alluminio in un componente ad alte prestazioni. Perfezionando la struttura dei grani interni e rimuovendo i difetti, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile superare i limiti della produzione additiva tradizionale per questa specifica lega. Le scoperte suggeriscono che questo approccio combinato offre una via pratica per creare grandi e complessi componenti in alluminio che siano non solo leggeri, ma anche abbastanza resistenti per le applicazioni più impegnative nell'aerospazio e nella difesa. Il lavoro conferma che controllare lo stato fisico del metallo durante il raffreddamento è importante quanto il calore usato per fonderlo, fornendo un nuovo strumento agli ingegneri per costruire macchine migliori.