Microstructural and Mechanical Properties of Additive Friction Stir Deposited Aluminum 7050 Alloy
Questo studio dimostra che, sebbene la deposizione per attrito e rimescolamento (Additive Friction Stir Deposition) di AA7050 produca un materiale ad alta resistenza, la sua duttilità quasi nulla è causata da difetti interstrato che, quando eliminati tramite il processo di Isostatic Pressing a caldo (Hot Isostatic Pressing), ripristinano la duttilità ma riducono significativamente la resistenza a causa dell'ingrossamento dei precipitati, evidenziando un critico compromesso tra la rimozione dei difetti e la stabilità microstrutturale.
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Le leghe di alluminio ad alta resistenza sono la spina dorsale dell'aviazione moderna, scelte per la loro capacità di sostenere carichi pesanti mantenendo l'aeromobile leggero. Tra queste, una specifica famiglia nota come serie 7000, in particolare la lega 7050, è apprezzata per la sua eccezionale resistenza e la resistenza alle crepe. Tradizionalmente, la fabbricazione di componenti da questo metallo comporta la sua fusione e colata, o la sua modellazione allo stato solido tramite forgiatura e laminazione. Tuttavia, questi metodi faticano con le forme complesse e possono introdurre debolezze come crepe o miscelazione non uniforme degli ingredienti. Negli ultimi anni, gli ingegneri si sono rivolti alla produzione additiva, spesso chiamata stampa 3D, per costruire questi componenti strato dopo strato. Mentre alcuni metodi di stampa fondono il metallo, un approccio più recente chiamato Deposizione per Attrito e Rimescolamento (Additive Friction Stir Deposition) mantiene il metallo allo stato solido. Invece di fondere il metallo, utilizza uno strumento rotante per sfregare il materiale, generando abbastanza calore e pressione per fondere gli strati senza mai trasformare il metallo in un liquido. Questo processo allo stato solido evita le crepe che spesso affliggono il metallo fuso, ma gli scienziati non erano sicuri di come questo influenzi la struttura interna e la resistenza di queste specifiche leghe ad alte prestazioni.
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di capire esattamente cosa accada quando utilizzano questo metodo di stampa allo stato solido sull'Alluminio 7050. Hanno costruito un blocco di questo metallo depositandolo strato dopo strato, creando una struttura solida che era quasi priva dei comuni vuoti presenti in altri metodi di stampa. Quando hanno testato la resistenza di questo nuovo blocco stampato, hanno riscontrato un mix sorprendente di risultati. Il materiale era incredibilmente forte, reggendo quasi quanto il miglior metallo forgiato tradizionale. Tuttavia, era anche pericolosamente fragile. Se si cercava di allungarlo, si spezzava immediatamente senza piegarsi o dare avvertimenti, a differenza del metallo tradizionale che si allungherebbe significativamente prima di rompersi. I ricercatori hanno scoperto che il metallo in sé era in ordine, ma il modo in cui gli strati aderivano tra loro era difettoso. Piccoli spazi e pori invisibili si formavano tra gli strati, agendo come minuscole crepe che causavano il cedimento dell'intero pezzo non appena veniva tirato.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno preso una parte del blocco stampato e l'hanno sottoposta a un processo chiamato pressatura isostatica a caldo. Immaginate di porre il metallo in una gigantesca camera sigillata piena di gas e di riscaldarlo applicando al contempo una pressione immensa da tutti i lati. Questo trattamento ha costretto il metallo a fluire in quei piccoli spazi, sigillandoli e rendendo il materiale completamente solido. Il risultato è stato un cambiamento drammatico nel comportamento. Il metallo è diventato molto più flessibile, allungandosi quasi quanto la versione forgiata tradizionale prima di rompersi. Tuttavia, questa riparazione ha avuto un costo. Il calore intenso e la pressione che hanno sigillato i vuoti hanno anche modificato i minuscoli cristalli interni che conferiscono forza al metallo. Questi elementi rinforzanti sono cresciuti diventando più grandi e meno efficaci, causando una diminuzione significativa della resistenza complessiva del metallo rispetto al suo stato stampato originale.
Lo studio ha rivelato un chiaro compromesso in questo processo di produzione. La stampa iniziale ha creato un materiale forte ma fragile a causa dei vuoti nascosti tra gli strati. Sigillare quei vuoti ha reso il metallo di nuovo sicuro e flessibile, ma ha indebolito la capacità del materiale di sostenere carichi pesanti. I ricercatori hanno concluso che, per far sì che questa tecnologia funzioni per i componenti aeronautici reali, non possono fare affidamento esclusivamente sulla riparazione del metallo dopo che è stato stampato. Invece, devono perfezionare il processo di stampa stesso per evitare che quei vuoti si formino in primo luogo, controllando al contempo attentamente il calore affinché la resistenza interna del metallo non vada perduta durante la riparazione. Questo lavoro evidenzia come, sebbene la stampa allo stato solido offra una strada promettente per la creazione di parti complesse e ad alta resistenza, padroneggiare l'equilibrio tra l'eliminazione dei difetti e la preservazione della resistenza sia la chiave per renderla un'alternativa valida alla produzione tradizionale.
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