{{{sourceTextContent.title}}}

Stampa di nichel a cristallo singolo con i laser

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Un team di ricercatori dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali e della Osaka University Graduate School of Engineering, in Giappone, ha dimostrato con successo la fabbricazione di nichel monocristallino con la produzione additiva, sperando che trovi applicazione nel settore aerospaziale.

{{{sourceTextContent.description}}}

I metalli a cristallo singolo sono molto apprezzati per le applicazioni sottoposte a sollecitazioni e sforzi elevati e in ambienti ad alta temperatura, come all'interno di un motore a reazione. Inoltre, si rompono meno durante la produzione. In genere vengono prodotti mediante colata.

Le pale di turbina tradizionali erano di natura policristallina, il che significa che il materiale della lega è costituito da cristalli casuali che si formano quando la pala fusa si raffredda. Le interfacce tra questi grani casuali sono chiamate "grain boundary" e rappresentano un punto di debolezza nella microstruttura del materiale.

Una soluzione a questo problema è stata trovata guidando con attenzione la crescita del seme di cristallo attraverso caratteristiche geometriche all'interno dello stampo per guidare la lama in fase di solidificazione in un singolo cristallo.

I cristalli singoli sono migliori per quanto riguarda la resistenza e la stabilità termica e, in un aereo, ciò significa una maggiore efficienza.

L'immagine del cristallo cilindrico formato è riportata nel grafico sottostante.

Precedenti ricerche in questo campo hanno dimostrato che questi cristalli singoli possono essere fabbricati con la fusione a fascio di elettroni, ma a causa dei requisiti di vuoto della fusione a fascio di elettroni, è proibitiva come soluzione più ampia.

I ricercatori hanno invece utilizzato la fusione laser a letto di polvere e, modificando il laser, sono riusciti a stampare i cristalli in modo che si allineassero con l'asse del cristallo.

In particolare, hanno utilizzato un fascio laser a sommità piatta, che fornisce un'intensità uguale su una sezione trasversale del fascio, con la conseguente formazione di un bagno di fusione piatto sul metallo in polvere, che favorisce il corretto orientamento dei cristalli formati.

Al contrario, un laser con una distribuzione gaussiana dell'intensità produce più difetti nei cristalli e un orientamento più casuale dei grani.

Il risultato dell'utilizzo del laser a superficie piatta è la capacità di produrre cristalli singoli senza confini di grano, resistenti alle alte temperature tipiche dei motori a reazione.

Come accennato in precedenza, quando i cristalli crescono in modo tradizionale, vengono utilizzati cristalli seme e caratteristiche geometriche nello stampo per guidare la crescita del cristallo. Un vantaggio dell'utilizzo della produzione additiva per la creazione di metalli a cristallo singolo è che non è necessaria la fase di semina.

Questa tecnica può essere utilizzata per fabbricare un'ampia varietà di materiali monocristallini, compresi quelli resistenti al calore per motori a reazione e turbine a gas.

La tecnica di stampa 3D con il laser flat top può essere utilizzata anche con altri metalli e leghe per creare una gamma di cristalli singoli perfetti per applicazioni aerospaziali e di generazione di energia, come motori a reazione e turbine a gas rispettivamente.

L'articolo intitolato "Manufacturing single crystals of pure nickel via selective laser melting with a flat-top laser beam" (Produzione di cristalli singoli di nichel puro mediante fusione laser selettiva con un fascio laser piatto) è disponibile sulla rivista Additive Manufacturing Letters a questo link https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000408