I ricercatori di Skoltech hanno condotto uno studio per valutazione e il controllo delle tensioni residue a livello mesoscopico che sono fondamentali per l’integrità e la durata dei componenti.
Gli scienziati di Skoltech, in Russia, hanno condotto uno studio comparativo di due tecniche per la valutazione delle tensioni residue a livello mesoscopico nella lega aerospaziale VT6 (Ti-6Al-4V), utilizzata per la produzione di pale di ventilatori e compressori nei motori aeronautici che può avere implicazioni pratiche per l‘industria aerospaziale, l’ingegneria biomedica, la microelettronica e la produzione additiva, dove la valutazione e il controllo delle tensioni residue a livello mesoscopico sono fondamentali per l’integrità e la durata dei componenti.
Lo studio di Skoltech, pubblicato sulla rivista Measurement, dimostra come la combinazione di fasci di ioni di gallio (Ga⁺) e xeno (Xe⁺) all’interno del metodo FIB-DIC (Focused Ion Beam—Digital Image Correlation) consenta una misurazione affidabile delle tensioni residue nell’intervallo mesoscopico critico da 0,05 a 0,5 mm. Le tensioni residue che si generano nei materiali a causa dei processi di lavorazione o durante l’esercizio influenzano direttamente l’innesco e la propagazione delle cricche, la resistenza alla fatica e la durabilità strutturale. Eppure, nonostante decenni di ricerca, la determinazione sperimentale delle tensioni residue rimane una sfida.
I metodi macroscopici tradizionali (come la diffrazione di raggi X e la foratura) operano su scala millimetrica, mentre gli approcci microscopici avanzati (Ga⁺ FIB-DIC) coprono solo pochi micrometri. Per lungo tempo, la gamma mesoscopica intermedia (0,05-0,5 mm) è rimasta un “punto cieco” in cui la microstruttura influenza fortemente i gradienti di tensione.
L’applicazione delle microfresatura
Nel nuovo studio, un team guidato dal professor Alexander Korsunsky, responsabile del Laboratorio di Materiali a Struttura Gerarchica (HSM) presso lo Skoltech Engineering Center, autore della tecnica FIB-DIC originale, ha applicato la microfresatura ad anello con correlazione digitale di immagini utilizzando due diversi tipi di fascio ionico. Evgeny Statnik, ricercatore senior presso il laboratorio HSM e autore principale dello studio, spiega: “L’utilizzo di una sorgente di plasma di xeno aumenta il volume di analisi da 5-20 µm (Ga⁺) a 50-80 µm (Xe⁺), consentendo di accedere alle sollecitazioni di tipo I e di tipo II secondo la classificazione di Davidenkov, ovvero valori mediati su molti grani, che sono di fondamentale importanza per prevedere il comportamento dei componenti ingegneristici”. I risultati degli esperimenti hanno mostrato una buona concordanza tra i dati ottenuti con i metodi FIB-DIC Ga⁺ e Xe⁺, con tensioni residue misurate comprese tra -500 e +500 MPa.
Un contributo metodologico fondamentale dello studio è stato un originale “esperimento annidato”: un micro-anello è stato fresato utilizzando un fascio di ioni di gallio all’interno di un anello di dimensioni mesoscopiche precedentemente preparato con un fascio di ioni di xeno: “Questo approccio ha fornito una conferma sperimentale diretta della natura gerarchica delle tensioni residue: la sonda di Xe⁺ di grandi dimensioni media le fluttuazioni su piccola scala, mentre la sonda di Ga⁺ di piccole dimensioni rivela le variazioni locali legate alla morfologia dei grani e alla struttura delle dislocazioni. Abbiamo dimostrato che possiamo scegliere deliberatamente la scala della sonda in base a specifici obiettivi scientifici e ingegneristici”, ha sottolineato il professor Alexander Korsunsky.
Inoltre, i ricercatori di Skoltech Engineering Center hanno stabilito una correlazione tra l’entità delle tensioni residue e la durezza locale misurata tramite nanoindentazione. Ciò apre la strada a una valutazione rapida e non distruttiva degli stati di tensione utilizzando mappe di microdurezza.
Il metodo sviluppato da Skoltech fornisce le basi per l’integrazione di approcci distruttivi (FIB-DIC micro-ring-core) e non distruttivi (diffrazione di raggi X, tomografia ultrasonica, indentazione) in un sistema multilivello unificato per la diagnosi degli stati di tensione e deformazione interni nei materiali, che può contribuire a raggiungere la leadership tecnologica nei settori chiave dell’aerospazio, dei trasporti e dell’energia.
