Produzione additiva di una superlega a base di cobalto-nichel (CoNi) tramite fusione a fascio di elettroni (EBM) e fusione laser selettiva (SLM). In figura (da sinistra):micrografie al microscopio elettronico a scansione (SEM) di polvere metallica della lega SB–CoNi-10 utilizzata per a) EBM e b) Prove di stampa SLM di semplici geometrie di barre (c, d) stampato per prove di trazione uniassiali; e geometrie complesse come prototipi di pale di turbine con e) canali di raffreddamento interni o f) sottili, piattaforme a sbalzo. Credito: College of Engineering
Negli ultimi anni, è diventato possibile utilizzare raggi laser e fasci di elettroni per "stampare" oggetti di ingegneria con forme complesse che non potrebbero essere raggiunte dalla produzione convenzionale. Il processo di produzione additiva (AM), o stampa 3D, per i materiali metallici comporta la fusione e la fusione di particelle di polvere su scala fine, ciascuna circa 10 volte più fine di un granello di sabbia della spiaggia, in "pozzetti" di scala submillimetrica creati focalizzando un raggio laser o di elettroni sul materiale.
"I raggi altamente focalizzati forniscono un controllo eccellente, consentendo la "sintonizzazione" delle proprietà in posizioni critiche dell'oggetto stampato, " disse Tresa Pollock, un professore di materiali e decano associato del College of Engineering presso l'UC Santa Barbara. "Sfortunatamente, molte leghe metalliche avanzate utilizzate in ambienti ad alta intensità di calore e chimicamente corrosivi incontrati nell'energia, le applicazioni spaziali e nucleari non sono compatibili con il processo AM".
La sfida di scoprire nuovi materiali compatibili con AM era irresistibile per Pollock, uno scienziato di fama mondiale che conduce ricerche su materiali e rivestimenti metallici avanzati. "Questo è stato interessante, " lei disse, "perché una serie di leghe altamente compatibili potrebbe trasformare la produzione di materiali metallici ad alto valore economico, ovvero materiali costosi perché i loro costituenti sono relativamente rari all'interno della crosta terrestre, consentendo la produzione di progetti geometricamente complessi con il minimo spreco di materiale.
"La maggior parte delle leghe ad altissima resistenza che funzionano in ambienti estremi non possono essere stampate, perché si spezzano, "continuò Pollock, il Distinguished Professor of Materials dell'ALCOA. "Possono rompersi allo stato liquido, quando un oggetto è ancora in fase di stampa, o allo stato solido, dopo che il materiale viene estratto e sottoposto a trattamenti termici. Ciò ha impedito alle persone di utilizzare le leghe che utilizziamo attualmente in applicazioni come i motori degli aerei per stampare nuovi progetti che potrebbero, Per esempio, aumentare drasticamente le prestazioni o l'efficienza energetica."
Ora, in un articolo sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Pollock, in collaborazione con Carpenter Technologies, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, Gli scienziati dello staff dell'UCSB Chris Torbet e Gareth Seward, e UCSB Ph.D. studenti Sean Murray, Kira Pusch, e Andrea Polonsky, descrive una nuova classe di superleghe che superano questo problema di fessurazione e, perciò, promettono un'enorme promessa per l'avanzamento dell'uso di AM per produrre componenti complessi una tantum per l'uso in condizioni di stress elevato, ambienti ad alte prestazioni.
La ricerca è stata supportata da una borsa di studio della Vannevar Bush Faculty Fellowship (VBFF) da 3 milioni di dollari che Pollock è stata assegnata dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti nel 2017. Il VBFF è il più prestigioso premio per investigatore singolo del Dipartimento della Difesa, sostenere la ricerca di base che potrebbe avere un impatto trasformativo.
Nella carta, gli autori descrivono una nuova classe di ad alta resistenza, resistente ai difetti, superleghe stampabili in 3D, definite come leghe tipicamente a base di nichel che mantengono la loro integrità materiale a temperature fino al 90% del loro punto di fusione. La maggior parte delle leghe si sfalda al 50% della loro temperatura di fusione. Queste nuove superleghe contengono parti approssimativamente uguali di cobalto (Co) e nichel (Ni), più piccole quantità di altri elementi. Questi materiali sono suscettibili di stampa 3D senza crepe tramite fusione del fascio di elettroni (EBM) e gli approcci più impegnativi a letto di polvere laser, rendendoli ampiamente utili per la pletora di macchine da stampa che stanno entrando nel mercato.
A causa delle loro eccellenti proprietà meccaniche a temperature elevate, le superleghe a base di nichel sono il materiale preferito per i componenti strutturali come le pale e le palette delle turbine a cristallo singolo (SX) utilizzate nelle sezioni calde dei motori aeronautici. In una variante di una superlega sviluppata dal team, Pollock ha detto, "L'elevata percentuale di cobalto ci ha permesso di progettare caratteristiche negli stati liquido e solido della lega che la rendono compatibile con un'ampia gamma di condizioni di stampa".
Lo sviluppo della nuova lega è stato facilitato dal lavoro precedente svolto nell'ambito di progetti finanziati dalla NSF allineati con la Materials Genome Initiative nazionale, che ha l'obiettivo di fondo di sostenere la ricerca per affrontare le grandi sfide che la società deve affrontare sviluppando materiali avanzati "due volte più velocemente a metà del costo".
Il lavoro di NSF di Pollock in questo settore è stato condotto in collaborazione con i colleghi professori di materiali dell'UCSB Carlos G. Levi e Anton Van der Ven. I loro sforzi hanno riguardato lo sviluppo e l'integrazione di una suite di strumenti di progettazione di leghe computazionali e ad alta produttività necessari per esplorare l'ampio spazio di composizione multicomponente necessario per scoprire nuove leghe. Nel discutere il nuovo documento, Pollock ha anche riconosciuto l'importante ruolo dell'ambiente di ricerca collaborativa nel College of Engineering che ha reso possibile questo lavoro.
