Nel futuro, nuove leghe di design per applicazioni aerospaziali possono essere prodotte utilizzando il processo di fusione laser 3D (Additive Manufacturing). Un lavoro pionieristico in questo campo è stato fornito dal ricercatore dell'Empa Christoph Kenel, che oggi lavora alla Northwestern University (Chicago). L'Empa gli conferisce il Premio Ricerca 2017.

Le leghe Titanio-Alluminio combinano bassa densità, elevata resistenza e resistenza all'ossidazione a temperature elevate e sono quindi di elevata rilevanza tecnica, ad es. nell'ingegneria aerospaziale. L'obiettivo della tesi di dottorato premiata di Christoph Kenel era sviluppare una nuova lega di alluminuro di titanio (TiAl), in particolare per l'uso in tecnologie di produzione additiva basate su travi, e di includere dispersoidi di ossido di dimensioni nanometriche per migliorare le loro proprietà meccaniche ad alta temperatura. La ricerca di Christoph Kenels è stata supervisionata da Christian Leinenbach presso il laboratorio Advanced Materials Processing dell'Empa.

L'argomento è molto impegnativo, poiché le leghe di TiAl sono intrinsecamente fragili a temperatura ambiente, e le condizioni di rapida solidificazione durante AM possono portare a complesse sequenze di trasformazione di fase, segregazione e fessurazione degli elementi pronunciate. Le leghe rinforzate con dispersione di ossido (ODS) sono una classe di materiali che offrono una combinazione senza pari di deformazione, strisciamento-, resistenza all'ingrossamento, all'ossidazione e alla corrosione a temperature fino a 1, 000 °C.

Leghe non realizzabili per colata classica

Però, la fabbricazione di componenti che utilizzano leghe ODS è attualmente soggetta a gravi barriere economiche e tecniche. La saggezza popolare è che la classica metallurgia delle polveri è l'unico metodo disponibile per creare leghe ODS da polveri a cui sono stati aggiunti ossidi tramite macinazione a sfere in un processo allo stato solido puro:se queste polveri composite fossero fuse, i loro ossidi dispersi vengono persi tramite uno o più sgrossamenti, dissoluzione, agglomerazione nello spazio interdendritico e galleggiamento sulla superficie del lingotto ("slagging"). L'elaborazione di ODS TiAl è quindi un compito davvero impegnativo.

Il Dr. Kenel ha deciso per un nuovo approccio per sviluppare una lega di TiAl specifica per il processo di produzione additiva (AM). Generalmente, i parametri di elaborazione AM sono ottimizzati per un dato materiale in un modo per tentativi ed errori, ma è noto che questo approccio spesso fallisce. Considerando i dispersidi di ossido, Kenel e i suoi colleghi hanno ipotizzato che l'AM basata su laser possa essere utilizzata con successo per creare campioni sfusi da polveri contenenti ossido dispersoide, in quanto il brevissimo tempo di fusione e la rapidissima solidificazione manterrebbero gli ossidi dispersi ben dispersi all'interno dei grani di lega.

Nel suo lavoro, Il Dr. Kenel ha utilizzato metodi computazionali (termodinamica computazionale, metodi agli elementi finiti) per la simulazione delle trasformazioni di fase in leghe binarie Ti-Al e ternarie Ti-Al-Nb e Ti-Al-Mo, rispettivamente, durante le particolarissime condizioni di riscaldamento e raffreddamento durante la mattina. Ha quindi sviluppato nuovi sofisticati esperimenti tra cui metodi di microdiffrazione a raggi X di sincrotrone in situ durante il riscaldamento laser, permettendogli di studiare sistematicamente la formazione di fase e microstruttura in leghe selezionate in condizioni AM ben definite e simulate con una risoluzione temporale senza precedenti. Questo non è stato fatto prima.