Materiali bimodali con il cold spray

In questo contributo si investiga il potenziale del cold spray come tecnica di produzione additiva per fabbricare pezzi tridimensionali con struttura bimodale, utilizzando polveri micro e nano-cristalline in frazioni volumetriche differenti, per ottenere proprietà meccaniche variabili in maniera controllata in funzione dell’applicazione di interesse.

La versatilità del cold spray

La ricerca di materiali metallici con un’adeguata combinazione di resistenza e duttilità è un argomento di interesse da decenni. Infatti, le leghe metalliche tradizionali presentano una duttilità via via decrescente al crescere della resistenza meccanica e gli approcci sviluppati per migliorare la loro resistenza causano un’ulteriore perdita di duttilità. L’aggiunta di elementi di lega e lo sviluppo di materiali compositi sono tra le procedure sviluppate per incorporare elementi resistenti come rinforzi in matrici deboli; questi approcci hanno portato a miglioramenti incrementali, aumentando la resistenza senza un significativo sacrificio di duttilità.

Di recente i materiali eterogenei, che possono fornire un notevole miglioramento in termini di resistenza-duttilità, hanno attratto un notevole interesse scientifico. Il principio su cui si basano questi materiali è la sostanziale differente resistenza e duttilità dei loro componenti. Un mezzo efficace per indurre eterogeneità è implementare la disomogeneità microstrutturale, combinando fasi micro, sub-micro o di scala nanometrica con la stessa composizione chimica, per ottenere un materiale con il compromesso desiderato tra resistenza e duttilità. La fase nano o submicro conferirà un’elevata resistenza, mentre il dominio microcristallino indurrà un comportamento con incrudimento al crescere della deformazione che causerà un’elevata duttilità nella struttura risultante.

Diverse sono le tecnologie utilizzate per la fabbricazione di questi materiali bimodali, con varie distribuzioni e forme di eterogeneità: laminazione criogenica (cryogenic rolling) con post-trattamento termico, la sinterizzazione al plasma a scintilla (spark plasma sintering) e la sinterizzazione a caldo (hot roll sintering) per realizzare strutture armoniche tramite consolidamento della polvere, la laminazione asimmetrica (asymmetric rolling) e ricristallizzazione parziale per ottenere strutture lamellari, lo SMAT (Surface Mecahnical Attrtion Treatment), la pallinatura severa (severe shot peening, SSP) e la torsione combinata con ricottura sono alcuni processi sviluppati con questo scopo. La maggior parte di queste tecniche presenta notevoli limiti dimensionali o vincoli intrinsechi per il controllo dell’estensione e della configurazione dell’eterogeneità.

In questa ricerca si è considerato il cold spray (CS), o spruzzatura a freddo, come metodo di produzione scalabile per ottenere strutture bimodali autoportanti con un controllo ragionevole della frazione di volume di ciascun componente. Il CS è una tecnica di deposizione non termica in cui piccole particelle (10-50 µm) vengono accelerate da un gas inerte supersonico ad alta pressione per impattare allo stato solido e aderire al substrato (Figura 1).

Il CS è stato tradizionalmente utilizzato come tecnica di rivestimento e per il ripristino dimensionale o la riparazione. Tuttavia, studi recenti hanno indicato il suo elevato potenziale di utilizzo come tecnologia di produzione additiva. Il CS ha dimostrato di poter essere utilizzato per produrre depositi autoportanti densi e ad alta resistenza , anche su scale più grandi e tassi di deposizione sensibilmente più elevati rispetto alle attuali tecniche di fabbricazione di additiva a letto di polvere, basate sull’utilizzo del laser.

Il CS è anche riconosciuto come uno strumento adatto per la deposizione di nanomateriali, poiché la bassa temperatura di lavoro è in grado di preservare la nanostruttura della polvere durante la deposizione.

Nel presente lavoro, le strutture bimodali autoportanti sono state depositate utilizzando la tecnologia CS per trarre vantaggio dalla combinazione dell’estrema resistenza dei nanomateriali e della maggiore deformabilità delle controparti con grani cristallini di dimensioni micormetriche. Si è spruzzata una polvere di lega di rame con struttura sia microcristallina (MC) che nanocristallina (NC) per fabbricare elementi spessi da cui sono stati estratti provini di trazione ad osso di cane.

Le leghe di rame sono note per le loro proprietà meccaniche e per la conducibilità elettrica e termica superiore. Nella lega CuCrZr oggetto della ricerca, la bassa solubilità di Cr e Zr nel rame favorisce la conducibilità elettrica, mentre una maggiore resistenza è stimolata dall’incrudimento indotto dalla precipitazione e dalla dispersione di particelle. Nonostante le eccellenti proprietà di questa classe di leghe, l’applicazione delle tradizionali metodologie metallurgiche per ottenere componenti su scala industriale è rimasta una sfida; questo problema potrebbe essere potenzialmente risolto dal CS.

Sono state considerate serie di campioni con una frazione di volume differente delle particelle di polvere MC e NC, sviluppando una distribuzione casuale della loro disposizione nel materiale. I campioni depositati sono stati quindi caratterizzati per microstruttura, porosità, microdurezza e resistenza alla trazione.

 

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