Produzione di additivi, chiamata anche stampa 3D, è comunemente usato per costruire oggetti tridimensionali complessi, strato per strato. I ricercatori di A*STAR hanno dimostrato che il processo può anche aiutare a rendere una lega ad alte prestazioni ancora più resistente.

Il cobalto-cromo-ferro-nichel-manganese (CoCrFeNiMn) è noto come una lega ad alta entropia. Scoperto nel 2004, è particolarmente adatto a resistere alle fratture in condizioni ambientali difficili, come le basse temperature. Per fare un oggetto dalla lega, i ricercatori in genere versano il metallo fuso in una colata, lasciarlo raffreddare, e poi lavorarlo nella forma desiderata. Però, questo può essere un modo lungo e costoso per realizzare componenti complessi. In linea di principio, la produzione additiva potrebbe saltare la fase di lavorazione per fabbricare direttamente componenti complessi.

Nai Mui Ling Sharon dell'A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), i suoi colleghi, e collaboratori internazionali hanno dimostrato che un metodo di produzione additiva, chiamato fusione laser selettiva, è adatto per la costruzione di componenti da CoCrFeNiMn. Il processo utilizza un potente raggio laser per fondere minuscole particelle di polvere della lega, che poi si fondono per formare un oggetto solido. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che il processo produce effettivamente un materiale più resistente rispetto ai metodi di fusione convenzionali. "Mostra una maggiore resistenza con una duttilità relativamente buona, "dice Zhu Zhiguang, un ricercatore nel team SIMTech che ha guidato lo studio.

I ricercatori hanno prima creato una polvere prelegata di CoCrFeNiMn, contenente particelle con un diametro medio di 36 micrometri. Quindi hanno usato la fusione laser per creare le particelle in cubi larghi 10 millimetri, o barre piatte di 90 millimetri. Hanno anche variato la potenza del laser, e la velocità che ha scansionato sulle particelle di lega, per capire come le diverse condizioni di stampa abbiano influito sulle prestazioni della lega.

L'analisi dei campioni ha rivelato una serie di caratteristiche che hanno determinato le proprietà del materiale. Per esempio, conteneva microscopiche pozze di fusione, piuttosto come saldature in miniatura che tenevano insieme il materiale. Conteneva anche grani cristallini allungati di circa 13 micrometri di diametro; questi grani sono stati suddivisi in "cellule" più piccole larghe meno di un micrometro. I ricercatori hanno scoperto che queste cellule hanno svolto un ruolo cruciale nel rafforzamento della lega.

I cristalli contengono una serie regolare di atomi disposti secondo schemi ripetuti. I grandi cristalli spesso si scindono abbastanza facilmente:se gli atomi in una parte del cristallo scivolano fuori posto, costringono gli atomi vicini a scivolare allo stesso modo, inviando una frattura che attraversa l'intero cristallo.

Ma i materiali formati da molti grani più piccoli possono evitare questo problema. Questo perché la struttura cristallina di ogni grano potrebbe non allinearsi con i suoi vicini, quindi qualsiasi dislocazione atomica si ferma non appena raggiunge un confine di grano.

Le minuscole cellule della lega del ricercatore sembrano potenziare questo effetto rinforzante, intrappolando le dislocazioni e offrendo un importante miglioramento della resistenza del materiale. Una delle leghe stampate, preparato utilizzando condizioni di stampa ottimizzate, potrebbe resistere a 510 megapascal di stress prima che iniziasse a deformarsi in modo permanente. Questo è quasi il doppio dello stress che può sopportare una lega CoCrFeNiMn preparata convenzionalmente.

I ricercatori hanno quindi riscaldato i loro oggetti stampati in 3D a 900 gradi Celsius per un'ora in un'atmosfera inerte. Ciò ha parzialmente rimosso la struttura cellulare e ridotto la resistenza del materiale, ma rendeva anche il materiale più duttile, permettendogli di deformarsi ulteriormente.

I ricercatori sperano che la modifica dei processi di stampa 3D possa migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche dei materiali. Prevedono inoltre di utilizzare la fusione laser selettiva per fabbricare altre leghe ad alte prestazioni, in modo che possano studiare come la struttura microscopica dei materiali influenzi le loro proprietà. "Con questa comprensione, saremo meglio attrezzati per adattare le loro proprietà per l'applicazione industriale, e contribuire ad accelerare l'adozione della produzione additiva, "dice Nai.