23 settembre 2024

ALLA CONQUISTA DEL RAME E DEL NICHEL

Chase Sheeley è un ingegnere di ricerca sulla produzione additiva presso SPEE3D. Ha conseguito un master in Scienza e Ingegneria dei Materiali con una tesi sulla produzione additiva di acciaio inossidabile e porta con sé una preziosa esperienza nel settore aerospaziale e della difesa.

Ogni giorno in SPEE3D cerchiamo di ampliare le possibilità della produzione additiva a spruzzo freddo (CSAM).

E come persona in prima linea nello sviluppo di nuovi materiali, in particolare dei materialiUBSAFE, posso parlare delle sfide che gli ingegneri ricercatori devono affrontare per qualificare nuovi metalli e leghe per la produzione.

Il nichel rame è un esempio perfetto.

Il Naval Sea Systems Command (NAVSEA) si era rivolto a SPEE3D con una richiesta specifica per una lega di rame e nichel. Si tratta di un materiale con cui hanno lavorato a stretto contatto per quasi 70 anni, perché fornisce un perfetto equilibrio tra forza, duttilità e resistenza alla corrosione per le navi e le attrezzature in mare.

Allo stesso tempo, però, i getti di rame e nichel hanno spesso un alto tasso di ricaduta e quindi non possono essere creati in fonderia senza richiedere tempi di consegna estremamente lunghi.

Portare la produzione di fusioni all'interno dell'azienda potrebbe aiutare efficacemente la Marina a eliminare i lunghi tempi di consegna. Il che rendeva CSAM una soluzione ideale.

Ma creare la lega non è stato facile.

Per capire il perché, è necessario conoscere un po' il modo in cui l'additivo a spruzzo freddo viene utilizzato per creare parti metalliche.

In un tipico processo di spray a freddo, la polvere viene caricata in una stampante SPEE3D e spruzzata a velocità supersonica su un substrato. La parte stampata deve poi essere riscaldata in un forno, o sinterizzata, per creare la lega desiderata.

In alcuni casi, si utilizza una pressa isostatica a caldo (HIP) per aggiungere pressione al processo con il gas, applicando uniformemente una forza di 30.000 psi al pezzo, superando la quantità di pressione che ci si aspetterebbe di trovare sul fondo del mare più profondo.

Questo ci permette di chiudere i pori nel metallo riscaldato, schiacciando potenzialmente gli ossidi che minacciano la duttilità, le prestazioni e l'affidabilità di un materiale.

Una volta trattato termicamente, il pezzo deve essere raffreddato. Due metodi comuni sono: lasciarlo nel forno a raffreddare lentamente o "spegnerlo" in acqua fredda per bloccare rapidamente la microstruttura.

Ma mentre la letteratura è chiara su come stampare, trattare termicamente e raffreddare i materiali comunemente prodotti in modo additivo come l'acciaio inossidabile, non ha molto da dire sul rame-nichel.

Per creare una formula di trattamento termico CSAM per questo prodotto, dovremmo navigare in un territorio inesplorato.

La nostra prima sfida è stata la materia prima stessa. A differenza di altri materiali, la materia prima di rame e nichel è una miscela di elementi puri che viene omogeneizzata in una lega finale attraverso il processo di trattamento termico.

Per trovare la giusta combinazione di elementi, dovevamo semplicemente sperimentare, e il successo di ogni esperimento non poteva essere determinato finché ogni parte non fosse stata sottoposta a riscaldamento e raffreddamento. Questo, naturalmente, richiedeva tempo.

È stato necessario sperimentare ulteriormente l'ordine delle operazioni.

In primo luogo, abbiamo lasciato il pezzo riscaldato nel forno a raffreddarsi lentamente, il che ha creato enormi precipitati di indurimento nella microstruttura e ha reso il pezzo troppo fragile.

Abbiamo quindi provato a spegnere il pezzo riscaldato per accelerare il processo di raffreddamento, ma così facendo abbiamo impedito la formazione di precipitati indurenti nella microstruttura.

Ciò ha reso il pezzo troppo duttile.

Alla fine, omogeneizzando la parte in rame e nichel prima di applicare una pressa isostatica a caldo e regolando poi la velocità di raffreddamento in modo moderato, siamo riusciti a trovare il giusto equilibrio tra resistenza e duttilità e a creare la microstruttura desiderata.

Ma il nostro lavoro continua.

Pur avendo stabilito con successo la sequenza corretta per la produzione additiva di rame e nichel, stiamo ancora cercando di fornire prove di ripetibilità. 

Convalidare il materiale secondo gli standard militari, dimostrare che può superare tutti i test di convalida, stabilire una qualità costante per decine di volte di seguito: è un processo arduo che può richiedere da sei a 15 mesi.

In altre parole, c'è ancora molto da fare per ottimizzare il processo e fornire una polvere di materiale che possa sostituire in modo sicuro e affidabile una parte prodotta tradizionalmente e utilizzata in una varietà di applicazioni critiche.

Sebbene il nichel rame sia stato il nostro obiettivo principale, esploriamo continuamente nuovi orizzonti nella scienza dei materiali per ampliare le nostre capacità e soddisfare le diverse esigenze del settore.