Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior
Questo studio dimostra che l'ottimizzazione delle modifiche Sc/Zr e Zn/Zr nelle leghe di Al–7Mg depositate tramite laser-directed energy deposition affina efficacemente la struttura del grano per ottenere un equilibrio superiore tra elevata resistenza alla trazione e resistenza alla corrosione, offrendo una strategia conveniente per ridurre la dipendenza dallo scandio.
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I componenti metallici per aerei, automobili e navi devono spesso essere incredibilmente resistenti e leggeri, pur dovendo anche resistere al lento e distruttivo morso della ruggine e dell'acqua salata. Per decenni, gli ingegneri si sono affidati all'alluminio per questi compiti perché è naturalmente leggero e resistente alla corrosione. Tuttavia, realizzare parti in alluminio che siano anche abbastanza resistenti per applicazioni ad alto stress è stata una sfida persistente, specialmente quando si utilizzano moderne tecniche di produzione che costruiscono oggetti strato dopo strato. Una di queste tecniche, nota come deposizione di energia diretta laser, funziona come una torcia saldatrice ad alta precisione che fonde polvere metallica e la fonde insieme in una forma solida. Sebbene questo metodo permetta la creazione di strutture leggere e complesse che le fabbriche tradizionali non possono produrre, spesso lascia il metallo con una struttura interna grossolana e irregolare che lo rende debole e incline alle crepe. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno a lungo cercato di aggiungere piccole quantità di elementi specifici alla miscela di alluminio per raffinare la sua struttura granulare interna, proprio come un panettiere potrebbe aggiungere un ingrediente specifico per garantire che il pane cresca uniformemente, ma trovare un modo per farlo senza utilizzare materiali costosi o rari è stato il santo graal del settore.
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema testando due diverse strategie per modificare una comune lega di alluminio contenente il sette per cento di magnesio. Il loro obiettivo era vedere se potevano creare un materiale che fosse non solo resistente e privo di crepe, ma anche resistente alla corrosione, il tutto mantenendo i costi contenuti. Iniziarono usando un laser per fondere e unire la polvere metallica, regolando attentamente la potenza del laser e la velocità con cui si muoveva per garantire che il metallo si fondesse uniformemente senza formare buchi o crepe. Una volta perfezionato il processo di stampa per la lega di alluminio di base, introdussero due diversi set di additivi. Il primo set includeva piccole quantità di scandio e zirconio, elementi noti per essere eccellenti nel frammentare i grandi grani metallici in grani piccoli e uniformi, sebbene lo scandio sia notoriamente costoso e difficile da reperire. Il secondo set sostituiva il costoso scandio con lo zinco, un metallo molto più economico e comune, abbinato allo zirconio, per vedere se potesse ottenere risultati simili.
I risultati dei loro esperimenti hanno rivelato un quadro chiaro di come questi additivi abbiano cambiato il metallo. La lega di alluminio di base, senza alcun additivo speciale, formava grani grandi che mediavano oltre cento micrometri di dimensione, ovvero circa la larghezza di un capello umano. Quando i ricercatori aggiunsero scandio e zirconio, la struttura interna cambiò drasticamente. I grani divennero incredibilmente fini, rimpicciolendosi a una dimensione media di meno di dieci micrometri. Questo raffinamento rese il metallo significativamente più forte e uniforme. La lega con una maggiore quantità di scandio si è rivelata la più resistente, capace di sopportare una forza di trazione di oltre quattrocento megapascal prima di rompersi, mantenendo comunque abbastanza flessibilità da deformarsi senza spezzarsi. Interessante da notare, anche le leghe modificate con zinco mostrarono un grande miglioramento rispetto al metallo di base, con i loro grani che si rimpicciolivano a circa quindici o sedici micrometri. Sebbene non fossero fini quanto le versioni con scandio, questo livello di raffinamento era comunque impressionante e ha dato origine a un materiale quasi forte quanto l'opzione più costosa.
Oltre alla resistenza, i ricercatori erano interessati a vedere come queste nuove leghe si sarebbero comportate contro la corrosione, un fattore critico per qualsiasi metallo utilizzato in ambienti marini o automobilistici. Esposero i campioni stampati a una nebbia costante di acqua salata per diversi giorni per simulare condizioni difficili. La lega contenente la minore quantità di scandio è stata quella con le prestazioni migliori in questo test, perdendo la minor quantità di peso e mostrando il tasso di corrosione più lento. Le leghe modificate con zinco, pur essendo forti, hanno mostrato tassi di corrosione leggermente più elevati, suggerendo che lo zinco potrebbe creare piccole aree all'interno del metallo dove la ruggine potrebbe iniziare più facilmente. Lo studio ha anche notato che durante il processo di stampa laser, parte del magnesio e dello zinco è evaporata a causa dell'intenso calore, ma le leghe hanno comunque mantenuto abbastanza di questi elementi per funzionare come previsto. Lo scandio e lo zirconio, invece, sono rimasti stabili durante tutto il processo.
I risultati suggeriscono una via pratica per l'industria. Mentre la lega modificata con scandio offre il miglior equilibrio complessivo tra resistenza e resistenza alla corrosione, la versione modificata con zinco fornisce un'alternativa competitiva e a basso costo che offre comunque alte prestazioni. I ricercatori hanno dimostrato che, controllando attentamente il processo di stampa e scegliendo la giusta miscela di elementi, è possibile creare parti in alluminio che siano prive di crepe, abbiano una struttura interna molto fine e possiedano la resistenza meccanica necessaria per applicazioni impegnative. Questo lavoro indica che gli ingegneri non devono necessariamente fare affidamento sui materiali più costosi per ottenere risultati di alta qualità; invece, possono utilizzare combinazioni strategiche di elementi comuni e rari per personalizzare l'alluminio per il futuro della produzione leggera.
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