Shot peening e sabbiatura per migliorare la resistenza nei materiali SLM

I materiali ottenuti con il processo Selective Laser Melting (SLM) presentano, in genere, un’eccellente resistenza statica, grazie all’alto valore gradiente termico che caratterizza il processo; tuttavia, le loro prestazioni a fatica sono limitate a causa della limitata duttilità, delle tensioni residue di trazione, della difettosità intrinseca e della finitura superficiale.
In questo articolo si considerano vari post-trattamenti, tra cui pallinatura, sabbiatura e un trattamento termico, al fine di valutare il loro effetto, singolo e sinergico, per migliorare la resistenza a fatica di una lega AlSi10Mg: i risultati mostrano, in particolare, come i trattamenti superficiali consentano di ottenere un drastico miglioramento della resistenza a fatica e permettano di eliminare alcune lavorazioni intermedie che, attualmente, allungano il ciclo tecnologico di ottenimento.

Introduzione

L’avvento e la rapida diffusione della tecnologia SLM (Selective Laser Melting) ha reso di grande attualità le problematiche relative alle proprietà fisiche e meccaniche dei materiali derivanti e dei componenti che ne fanno uso. In particolare, pensando ai settori di applicazioni (aerospaziale, biomedico…), risulta di particolare interesse la conoscenza delle prestazioni a fatica dei materiali così ottenuti. La letteratura ad oggi disponibile mostra che, al contrario di quella statica, la resistenza in presenza di carichi variabili ciclicamente del materiali SLM sia fortemente influenzata e penalizzata da alcuni fattori intrinsecamente legati all’SLM, quali la limitata duttilità, la tensioni residue di trazione causate dalla complessa storia termica e la presenza di una marcata difettosità.

Inoltre, le parti costruite con SLM, presentano un alto grado di irregolarità superficiale ed una elevata rugosità, che, come è noto peggiora in maniera sensibile il comportamento alla fatica.

La scarsa qualità delle superfici così ottenute contribuisce anche a peggiorare le proprietà tribologiche e, non ultime, estetiche. Non solo, uno scarso controllo della morfologia superficiale può anche portare a un controllo dimensionale limitato.

Al fine di evitare questi inconvenienti e riportare, in particolare, la resistenza a fatica a valori di interesse, è possibile applicare trattamenti termici e/o meccanici. L’applicazione di trattamenti termici adeguati, infatti, si è dimostrata efficace nel rilassare gli sforzi residui di trazione e nel recuperare un certo grado di duttilità.

Per quanto riguarda le condizioni della superficie, si utilizzano lavorazioni di finitura quali la fresatura meccanica, la rettifica, l’elettropulitura chimica, la rifusione laser (laser-remelting).

Questi metodi, tuttavia, presentano alcuni inconvenienti, associati alla limitata efficienza, al tempo di trattamento, in qualche caso ai problemi ambientali e, in ogni caso, la loro efficacia in termini di resistenza a fatica è limitata.

Nel presente lavoro si investiga l’effetto di due trattamenti meccanici a impatto, la sabbiatura e la pallinatura, sulla stato e sulla qualità della superficie e sulla resistenza a fatica dei provini in lega AlSi10Mg, ottenuti utilizzando la tecnologia SLM. Questi processi sono in grado di modificare la morfologia superficiale senza richiedere l’asportazione di materiale e la modifica dimensionale dei pezzi trattati. La sabbiatura prevede di utilizzare piccoli granelli di dimensione e geometria casuale che vengono accelerati in un flusso di aria compressa fino ad impattare la superficie di interesse.

È tradizionalmente utilizzato su scala industriale per la sua semplicità e per la capacità di rimuovere strati di ossido dalla superficie del componente metallico ed alterare leggermente la finitura superficiale della superficie.

La pallinatura (shot peening) è pure un trattamento meccanico a impatto che si basa sull’effetto dell’impatto ad alta energia di piccole sfere dure di forma sferoidale controllata che inducono una deformazione plastica localizzata superficiale, la quale genera un campo di sforzi residui di compressione negli strati superficiali del pezzo in grado di migliorare in maniera considerevole il comportamento a fatica dei pezzi trattati. Due altri importanti effetti della pallinatura sono la modifica della morfologia superficiale e l’incrudimento del materiale, sempre in superficie; effetto che, in presenza di parametri di trattamento estremi (principalmente elevata intensità Almen e alto ricoprimento) porta a modificare la microstruttura del materiale e a generare grani di dimensioni inferiori al micrometro. I campioni sono stati prima sottoposti al trattamento T6 che, in base a ricerche precedenti, è stato considerato una scelta appropriata anche per parti prodotte con SLM.

Nei paragrafi che seguono si mostrano i risultati della caratterizzazione eseguita a partire dalle polveri e dall’analisi della porosità e delle superficie in termini di rugosità, morfologia, microdurezza, stato tensionale residuo fino alle prove meccaniche statiche di trazione e di fatica ad alto numero di cicli.

Particolare attenzione è stata focalizzata posta alla comprensione dell’effetto dei singoli trattamenti considerati così come della loro combinazione, al fine di indagare i possibili effetti sinergici in termini di resistenza a fatica e valutare la possibilità, nel caso di elementi sollecitati a fatica, di evitare gli usuali processi di trattamento delle superfici per sostituirli con quelli qui analizzati. Infine, i risultati sono stati confrontati con quelli di provini ottenuti utilizzando tecnologie di produzione convenzionali.

 

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