Un team internazionale di ricerca guidato da Skoltech ha condotto uno studio sistematico del processo di fusione laser a letto di polvere (PBF-LB) per il bronzo di alluminio.
Un team internazionale di ricerca con a capo lo Skolkovo Institute of Science and Technology, in Russia, ha realizzato uno studio sistematico del processo di fusione laser a letto di polvere (PBF-LB) per il bronzo di alluminio, una lega di rame e alluminio. Questo materiale è di fondamentale importanza per i componenti che operano sotto intensi carichi termici e che richiedono un’efficiente dissipazione del calore, come scambiatori di calore, elementi di raffreddamento di centrali elettriche e involucri per dispositivi elettronici di potenza. I risultati, pubblicati sulla rivista Materials Characterization, aprono la strada alla produzione di componenti di forma complessa mediante fusione laser a letto di polvere, che eguagliano la resistenza e la conduttività termica dei pezzi fusi tradizionalmente e, in alcuni casi, le superano persino.
Il bronzo di alluminio (Cu-9.5Al-1Fe) offre una conduttività termica superiore a quella dell’acciaio e del titanio, risultando al contempo più adatto alla produzione additiva rispetto al rame puro. Tuttavia, la stampa di leghe di rame presenta due sfide fondamentali: l’elevata riflettività del materiale e la sua rapida dissipazione del calore. Questi fattori portano alla formazione di difetti, in particolare pori da mancanza di fusione, che si verificano quando le particelle di polvere non si fondono completamente, e la cosiddetta porosità a buco di serratura, causata dalla formazione di una profonda e instabile depressione di vapore nel bagno di fusione che produce vuoti durante la solidificazione.
Approfondimenti sulla microstruttura e sui cambiamenti di fase
“Siamo riusciti a dimostrare che, anche utilizzando apparecchiature con potenza laser limitata, è possibile ottenere proprietà meccaniche simili a quelle dei bronzi di nichel-alluminio industriali. Il fattore chiave si è rivelato non solo l’aumento dell’energia immessa, ma anche la comprensione dei meccanismi che regolano la transizione tra i diversi tipi di difetti. Questo ci permette di prevedere le proprietà del materiale già nella fase di selezione dei parametri di stampa”, ha affermato il professore associato Stanislav Evlashin del Centro Materiali, coautore dello studio.
Gli autori hanno prestato particolare attenzione ai cambiamenti nella composizione di fase. La cristallizzazione ultrarapida tipica della fusione laser ha prodotto fasi atipiche rispetto alla struttura di equilibrio del bronzo di alluminio, in particolare strati intermedi di Al₂Cu e nanoparticelle di Cu₃Fe.
Lo studio ha inoltre dimostrato che l’aumento della densità di energia riduce la frazione di fase principalmente responsabile della durezza e della resistenza del materiale che, a sua volta, ha un impatto negativo sulla conduttività elettrica e termica. Queste strutture e fasi si formano a causa di velocità di raffreddamento che raggiungono fino a 10⁷ K/s e influenzano l’equilibrio tra resistenza, duttilità e proprietà termiche.
Collegamento tra struttura, conduttività e prestazioni
“Utilizzando una serie di approcci, dall’analisi microstrutturale con diverse tecniche di microscopia alle misurazioni delle caratteristiche fisiche e meccaniche, abbiamo stabilito una correlazione diretta tra densità di dislocazioni, conduttività termica e conduttività elettrica. È emerso che, all’aumentare dell’energia immessa, la densità di dislocazioni diminuisce e si verifica una ridistribuzione dell’alluminio all’interno della struttura. Questo aspetto porta a una maggiore conduttività termica senza alcun degrado apprezzabile delle proprietà meccaniche. La porosità, invece, ha un effetto minore” ha spiegato Anastasia Filippova, prima autrice dell’articolo e dottoranda in Matematica e Meccanica presso lo Skoltech.
Le misurazioni della conduttività termica sono state effettuate in un ampio intervallo di temperature, da 5 a 575 K, utilizzando due metodi indipendenti: PPMS e analisi laser flash. Gli autori hanno dimostrato che la conduttività termica dei campioni prodotti con un’elevata densità di energia raggiunge i 47 W/(m·K) a temperatura ambiente. Questo valore è paragonabile a quello dei materiali fusi, ma è stato ottenuto con una resistenza significativamente maggiore.
