Nano-ZrO2-enabled powder bed fusion-laser beam of an Al-Cu-Mg alloy

Sintesi Tecnica: Fusione a Letto di Polvere mediante Laser Beam di una Lega Al-Cu-Mg con l'ausilio di Nano-ZrO2

Problematica
Le leghe di alluminio lavorabili ad alta resistenza, specificamente il sistema Al-Cu-Mg (serie 2xxx), sono critiche per applicazioni aerospaziali e strutturali ma rimangono notoriamente difficili da processare tramite la Fusione a Letto di Polvere mediante Laser Beam (PBF-LB/M). A differenza delle leghe Al-Si di tipo colata, che possiedono un intervallo di solidificazione ristretto e un'alta fluidità, le leghe Al-Cu-Mg esibiscono un intervallo di solidificazione ampio e una forte suscettibilità alla cricca a caldo. Questa suscettibilità deriva dalla formazione di strutture di grani colonnari epitassiali continui allineati con la direzione di crescita. Durante la solidificazione, questi grani creano bordi continui dove persistono film eutettici a basso punto di fusione, incapaci di accomodare le tensioni da trazione generate dalla contrazione termica e dal ritiro di solidificazione. Di conseguenza, il processamento convenzionale PBF-LB/M di queste leghe risulta tipicamente in estese cricche, rendendo impossibile la fabbricazione di componenti densi e meccanicamente integri. Sebbene l'ottimizzazione dei parametri di processo possa mitigare la porosità, si è dimostrato insufficiente per eliminare i driver microstrutturali sottostanti alla cricca.

Metodologia
Per affrontare tali sfide, lo studio ha impiegato un approccio sperimentale in due fasi utilizzando un sistema laser a fibra a onda continua da 300 W:

1. Stabilizzazione della Finestra di Processo: Una lega Al-Cu-Mg monolitica (polvere atomizzata a gas pre-legata) è stata processata per mappare la relazione tra la densità di energia volumetrica (VED) e la formazione di difetti. Sono state testate nove combinazioni di parametri variando l'interasse di scansione (40, 60, 80 µm) e la velocità di scansione (440, 520, 600 mm/s) mantenendo costante la potenza del laser (260 W) e lo spessore dello strato (30 µm).
2. Modifica con Nanoparticelle: Una polvere composita è stata creata mescolando meccanicamente la polvere di Al-Cu-Mg con lo 0,5 in peso di nanoparticelle di ZrO2 (<50 nm) tramite macinazione a bassa energia. Questo composito è stato processato sotto i parametri ottimali identificati nella prima fase (interasse di 60 µm, velocità di scansione di 520 mm/s, ~278 J/mm³ di VED).
3. Caratterizzazione: I campioni risultanti sono stati analizzati per densità relativa, morfologia dei difetti (cricche, porosità) ed evoluzione microstrutturale (dimensione del grano, morfologia, identificazione delle fasi tramite XRD e SEM). Le proprietà meccaniche sono state valutate tramite microdurezza Vickers e test di trazione unassiale. In particolare, il test di trazione è stato eseguito solo sulla lega modificata con ZrO2, poiché i campioni monolitici erano troppo criccati per essere lavorati in provini di prova.

Risultati Chiave

• Finestra di Processo e Difetti: La lega monolitica ha esibito una forte sensibilità alla densità di energia. Alte densità di energia (>328 J/mm³) hanno indotto porosità di tipo "keyhole" (pori sferici), mentre basse densità di energia (<246 J/mm³) hanno causato difetti di mancanza di fusione (LoF). Una densità di energia intermedia di ~278 J/mm³ ha minimizzato entrambi i tipi di difetto, raggiungendo una densità relativa massima di ~97,1% per la lega monolitica. Tuttavia, la cricca a caldo è rimasta pervasiva in tutte le condizioni, con una densità di cricche che diminuiva solo leggermente all'aumentare della densità di energia.
• Effetto dell'aggiunta di ZrO2: L'incorporazione dello 0,5 in peso di nanoparticelle di ZrO2 ha completamente soppresso la cricca a caldo e ridotto la porosità residua a livelli trascurabili, aumentando la densità relativa al 99,9%.
• Evoluzione Microstrutturale: L'aggiunta di ZrO2 ha alterato fondamentalmente la struttura di solidificazione. La lega monolitica mostrava grani colonnari epitassiali grossolani che attraversavano più strati (larghezza media ~120 µm). Al contrario, la lega modificata con ZrO2 ha esibito una morfologia mista colonnare-equiassica raffinata. La larghezza dei grani colonnari è stata ridotta di circa il 75% (a ~30 µm) e la rete continua di bordi di grano è stata interrotta da regioni equiassiche fini. L'analisi XRD ha confermato la presenza della sola fase α-Al, senza picchi di ZrO2 o prodotti di reazione rilevabili, suggerendo che le nanoparticelle abbiano agito come siti di nucleazione o abbiano influenzato la dinamica di solidificazione senza formare fasi secondarie distinte rilevabili tramite XRD.
• Prestazioni Meccaniche: Il raffinamento microstrutturale ha portato a un aumento della durezza di circa il 62%, passando da 55 ± 2 HV (monolitica) a 89 ± 2 HV (modificata). La lega modificata con ZrO2 ha dimostrato un carico di snervamento di 222 ± 12 MPa, una resistenza a trazione di 367 ± 10 MPa e un allungamento del 6,9 ± 0,7%. L'analisi frattografica ha rivelato un modo di frattura misto duttile-clivaggio-intergranulare. Al contrario, la lega monolitica non poteva essere testata a causa della cricca catastrofica.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che l'aggiunta di tracce di nanoparticelle di ZrO2 offre una strategia economica e pratica per abilitare il processamento PBF-LB/M di leghe Al-Cu-Mg ad alta resistenza e suscettibili di cricca. Lo studio dimostra che le nanoparticelle di ossido possono modificare il percorso di solidificazione aumentando la frequenza di nucleazione e interrompendo la crescita del grano epitassiale. Ciò promuove una transizione da colonnare a equiassica (CET), che raffina la microstruttura e sopprime la formazione di percorsi continui per le cricche.

Gli autori sottolineano che, sebbene l'ottimizzazione dei parametri di processo da sola sia insufficiente per eliminare la cricca a caldo in queste leghe, l'ingegneria della struttura del grano tramite inoculazione di nanoparticelle riesce ad ottenere parti quasi completamente dense e prive di cricche, con proprietà meccaniche significativamente migliorate. Il lavoro suggerisce che le nanoparticelle di ZrO2 agiscano attraverso meccanismi quali la nucleazione eterogenea (potenzialmente tramite la formazione in situ di Al3Zr o altre fasi contenenti Zr) e il pinning di Zener, sebbene l'esatto percorso di reazione richieda ulteriori indagini poiché non sono state rilevate direttamente fasi secondarie. In definitiva, questo approccio estende l'applicabilità del PBF-LB/M oltre le leghe eutettiche Al-Si verso sistemi ad alta resistenza e induribili per precipitazione.