METALLURGIA

METALLURGIA.

– Additive manufacturing. Schiume metalliche. Leghe con altissima resistenza meccanica ottenuta per affinamento del grano. Acciai ODS per applicazioni strutturali nei futuri reattori a fusione nucleare. Materiali con proprietà funzionalmente graduate. Leghe ad alta entropia. Bibliografia

La m. di inizio 21° sec. ha dedicato grossi sforzi sia allo sviluppo di processi produttivi più efficaci, economici ed ecosostenibili, sia alla realizzazione di nuovi materiali con migliori proprietà meccaniche e in grado di operare in condizioni estreme e ambienti ostili.

Tra i processi produttivi, spicca in particolare per le sue potenzialità l’additive manufacturing (AM), la versione industriale della stampa 3D (v. stampa tridimensionale), che consiste nel realizzare oggetti strato dopo strato. Il termine stampa 3D descrive il processo in cui strati di materiale sono depositati in successione nello stesso modo in cui una stampante a getto di inchiostro deposita l’inchiostro. AM è una tecnologia che non interessa soltanto i metalli, ma molti altri materiali fino a includere i tessuti biologici. Sono infatti in corso ricerche, con risultati che appaiono molto promettenti, per cercare di riprodurre organi umani o parte di essi. Per quanto riguarda invece i materiali innovativi, la ricerca metallurgica ha recentemente ottenuto i risultati più significativi nei seguenti campi: schiume metalliche; leghe con altissima resistenza meccanica ottenuta per affinamento del grano; acciai ODS (Oxide Dispersion-Strengthened) per applicazioni strutturali nei futuri reattori a fusione nucleare; materiali con proprietà funzionalmente graduate; leghe ad alta entropia.

Additive manufacturing. – Nella tecnica AM uno strato di polvere metallica viene depositato su un letto, poi un fascio laser controllato via computer fonde il metallo nei punti prestabiliti e infine la polvere in eccesso viene rimossa per essere riutilizzata. Le stesse operazioni vengono ripetu te per gli strati successivi finché l’oggetto da realizzare non è completato (Gu, Meiners, Wissenbach et al., 2012). Numerosi sono i vantaggi di questa tecnologia. Il primo consiste nella grande flessibilità poiché si opera direttamente dal modello realizzato al computer senza doversi preoccupare delle limitazioni tecniche insite nel processo di produzione, come invece succede con i processi tradizionali quali fonderia, deformazione plastica e lavorazioni alle macchine utensili. Si possono così realizzare configurazioni che prima non erano possibili senza ricorrere a saldature o altre forme di giunzione.

Un altro vantaggio è che si possono produrre componenti garantendo la resistenza meccanica soltanto dove essa è realmente necessaria; infatti, laddove è irrilevante per il buon funzionamento del pezzo meccanico, contribuisce solamente ad aumentarne il peso. Alleggerire i componenti significa ridurre i costi di produzione e di esercizio.

L’AM può avere inoltre un positivo impatto sull’ambien te in quanto gli scarti di processo sono praticamente nulli.

Infine una possibilità unica offerta da questa tecnologia è quella di poter fare una singola parte meccanica con più metalli senza saldature.

In campo industriale la tecnica AM è stata già utilizzata per realizzare alcuni prodotti di nicchia, come, per es., endoprotesi per applicazioni medico-chirurgiche. Attualmente si sta avviando la produzione su larga scala di un iniettore di carburante per motori aeronautici da parte della General electric, azienda leader del settore. Tradizionalmente gli iniettori sono prodotti saldando una ventina di parti ottenute per via fusoria; il processo è lungo, laborioso e comporta molti scarti. La scelta di usare questa nuova tecnologia è rivoluzionaria e permetterà di ridurre i costi di produzione prima e di esercizio poi per le compagnie aeree. I componenti del nuovo motore saranno presenti sugli aerei a partire dalla fine del 2015 e questo rappresenta una pietra miliare per la tecnologia e per il suo impatto economico e commerciale. Nei prossimi anni si investiranno sulla tecnologia AM molte risorse e se ne esploreranno a fondo tutte le potenzialità.

Schiume metalliche. – Le schiume metalliche abbina no leggerezza con buona rigidità, resistenza meccanica e capacità di smorzamento di urti e vibrazioni. Oggi vengono prodotte schiume di svariati metalli con densità fino al 10% di quella del corrispondente metallo monolitico (Barbieri, Costanza, Montanari 2014). Esistono diversi procedimenti di fabbricazione delle schiume e specifici brevetti sono stati sviluppati in vari Paesi. Le applicazioni di una schiuma metallica dipendono dal metallo di cui essa è formata, dalla morfologia (porosità, dimensione e forma delle celle, densità), dalla possibilità di impartire alla schiuma la forma voluta e infine dai costi per realizzare componenti su scala industriale. Le schiume sono già utilizzate in diversi settori (automobilistico, aeronautico, aerospaziale ecc.). Nel campo dei trasporti viene sfruttata la loro capacità di assorbire energia in caso d’urto, di smorzare le vibrazioni e attenuare il rumore. Schiume con porosità aperta, cioè con pori comunicanti, di metalli con alta conducibilità termica sono utilizzate come scambiatori di calore. Metalli con struttura cellulare hanno già parzialmente sostituito i ceramici come supporti catalitici. Schiume di nichel sono state usate come elettrodi nelle batterie ricaricabili nichel-cadmio per ridurre il peso e raggiungere una più alta densità di energia. Interessanti sono anche le possibilità di immagazzinare e trasferire liquidi (cuscinetti autolubrificanti, rulli porosi ecc.) e di ridurre le indesiderate oscillazioni del liquido nei serbatoi.

Di particolare interesse industriale sono i pannelli formati da un sandwich con la parte interna in schiuma e due pelli di metallo monolitico. Per la loro produzione esistono due diversi approcci: a) si parte da una schiuma già realizzata cui segue la giunzione della pelle metallica mediante adesivo o brasatura oppure diffusione; b) la schiuma viene realizzata direttamente tra le due pelli metalliche e i processi di sviluppo della schiuma dal precursore e di adesione avvengono contemporaneamente.

Leghe con altissima resistenza meccanica ottenuta per affinamento del grano. – I materiali per applicazioni meccaniche sono in genere policristallini, ossia formati da numerosi grani cristallini. Dal momento che la resistenza aumenta al diminuire della dimensione dei grani, l’affinamento del grano è un modo per ottenere materiali con altissime prestazioni meccaniche. A tale fine le tecniche più efficaci sono la deformazione plastica severa e la cristallizzazione di metalli amorfi.

Esistono più metodi per ottenere grani di taglia nano-metrica attraverso deformazione plastica severa; quelli più promettenti e studiati sono l’ECAP (Equal Channel Angular Pressing), la RCS (Rolling Co-Shearing) e la multilaminazione. L’ECAP prevede che una billetta sia forzata da un pistone ad attraversare un canale a L più volte; a ogni passata essa subisce una grande deformazione plastica di puro taglio. Nel ciclo RCS il foglio di metallo viene prima ondulato con un sistema di rulli dentati poi viene teso finché dopo numerose passate si ottengono grani dell’ordine di 0,1 micron. Nel caso della multilaminazione una lastra di metallo viene riscaldata, laminata, tagliata in più parti che vengono poi impilate. Ripetendo il ciclo più volte si ottiene una struttura a grani ultrafini con la possibilità di formare fogli sottili di dimensioni adatte per gli impieghi industriali.

Per quanto riguarda la cristallizzazione di metalli amorfi, oggi si producono metalli amorfi in forma di polveri, nastri e fili. Lo stato amorfo non è termodinamicamente stabile quindi, se il metallo viene riscaldato, tende a ricostituire la forma stabile cristallina. Questo processo avviene attraverso la formazione di nuclei e di una loro successiva crescita. Le velocità di nucleazione e di crescita dipendono dalla temperatura per cui, in opportune condizioni di riscaldamento,

si può avere alta velocità di nucleazione e bassa velocità di crescita con la formazione di molti cristalli che crescono lentamente e una struttura finale di grani di piccola dimensione.

Acciai ODS per applicazioni strutturali nei futuri reattori a fusione nucleare. – La radioattività indotta da irraggiamento, il rigonfiamento dovuto alla formazione di bolle di elio e l’infragilimento sono in prospettiva i problemi più gravi per gli acciai, i materiali strutturali per eccellenza, dei futuri reattori a fusione nucleare. Per questo motivo si stanno sostenendo grandi sforzi per sviluppare una nuova generazione di acciai ferritico-martensitici a bassa attivazione. Affinché questi materiali possano operare a temperature sempre più alte vengono rinforzati disperdendo nella matrice particelle di ossido di taglia nanometrica, in genere Y₂O₃ e TiO₂ (acciai ODS). La preparazione avviene attraverso l’alligazione meccanica di polveri di acciaio e di ossido e il successivo consolidamento tramite pressatura isostatica o estrusione a caldo (Catalini, Kaoumi, Reynolds et al. 2013).

Il rafforzamento è dovuto primariamente alla presenza delle particelle di ossido e secondariamente alla struttura fine dei grani con alta densità di difetti cristallini risultante dall’alligazione meccanica. L’effetto è di aumentare la resistenza meccanica alle alte temperature (fino a 900 °C), inibire la ricristallizzazione, garantire stabilità meccanica e termica e alta resistenza all’infragilimento sotto irraggiamento. Gli acciai ODS, sviluppati per esigenze specifiche del nucleare, troveranno comunque applicazione anche in altri settori industriali.

Materiali con proprietà funzionalmente graduate. – Spesso accade che un componente meccanico debba avere proprietà differenti in parti diverse. Per es., in un ingranaggio è utile che la superficie sia dura, poiché sottoposta a usura da strofinamento, e che la parte interna sia tenace. Difficilmente i materiali possiedono contemporaneamente queste caratteristiche. Per risolvere il problema la m. tradizionale ricorre a trattamenti del metallo atti a modificarne le caratteristiche superficiali o a rivestimenti. Recentemente sono stati però sviluppati materiali metallici con proprietà che variano progressivamente con continuità. Sono già stati utilizzati per la produzione di utensili, per stampi di forgiatura e pressocolata e per matrici di estrusione, cioè parti meccaniche sottoposte in esercizio a tensioni meccaniche e termiche con forti gradienti.

Per realizzare metalli con proprietà funzionalmente graduate si utilizzano due tecniche. La prima è la compattazione dinamica di polveri metalliche: polveri metalliche contenute in uno stampo vengono compattate tramite un pistone applicando pressioni diverse oppure diverse velocità di applicazione del carico per formare strati di diversa densità. La seconda consiste nell’utilizzare la tecnologia AM.

Leghe ad alta entropia. – Le leghe ad alta entropia si presentano come l’ultima frontiera della ricerca metallurgica. A differenza delle leghe tradizionali, che hanno sempre al massimo due elementi principali, queste ne hanno almeno cinque. Sono realizzate quindi sulla base di un concetto assolutamente nuovo e appaiono molto promettenti per applicazioni ad alta temperatura perché le proprietà meccaniche si degradano meno di quanto succede per la maggior parte dei metalli e inoltre la cinetica di diffusione degli elementi è particolarmente lenta.

Il problema principale per poter arrivare ad applicazioni industriali su larga scala è trovare il giusto bilanciamento tra resistenza meccanica e duttilità: le strutture monofasiche delle leghe ad alta entropia sono molto duttili, ma poco resistenti quando hanno un reticolo cubico a facce centrate (CFC); viceversa risultano essere molto resistenti, ma poco duttili, con un reticolo cubico a corpo centrato (CCC). Per superare questa difficoltà si sta studiando la possibilità di realizzare leghe eutettiche bifasiche, con la presenza delle fasi sia CFC duttile sia CCC dura.

Bibliografia: D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach et al., Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms, «International materials reviews», 2012, 57, pp. 133-64; D. Catalini, D. Kaoumi, A.P. Reynolds et al., Friction consolidation of MA956 powder, «Journal of nuclear materials», 2013, 442, pp. 112-18; G. Barbieri, G. Costanza, R. Montanari, Schiume metalliche: tecniche di produzione e applicazioni, Milano 2014.