La stampa 3D SLM e il vetro metallico

Un nuovo studio dimostra che la stampa 3D SLM ha un grande potenziale per la fabbricazione di componenti in vetro metallico

Il vetro metallico , noto anche come metallo amorfo , fu introdotto per la prima volta all’inizio degli anni ’60 e da allora sembra che tutti vogliano entrare in azione. Il materiale è apprezzato per le sue numerose proprietà eccezionali, come bassa rigidità, resistenza quasi teorica, elevata resistenza alla corrosione e limiti di deformazione elastica di grandi dimensioni. Gli occhiali metallici di serie (BMG), che hanno dimensioni dei campioni caratteristici superiori a 1 mm, sono stati esplorati con successo per i vetriformanti.

Non è facile produrre vetri metallici con geometrie complesse, perché le leghe fuse devono essere raffreddate rapidamente per superare la nucleazione e la crescita dei cristalli e i metodi più comunemente usati, come la fusione, la colata e la metallurgia delle polveri, sono limitati in entrambi geometria complessa e dimensione. Ecco perché è così importante continuare a esplorare e sviluppare nuovi percorsi di elaborazione per la produzione di componenti amorfi.

Un team di ricercatori  dell’Università della Scienza e della Tecnologia di Pechino ha studiato l’uso della fusione laser selettiva (SLM, chiamata anche DMLS, Sinterizzazione laser diretta in metallo, fusion a letto in polvere, laser a letto in polvere) per la produzione di metalli a base di Fe polvere di vetro con geometria complessa e senza restrizioni. Questa tecnologia specifica offre velocità di raffreddamento molto elevate, che è importante per la formazione del vetro della maggior parte dei BMG e può applicare vari parametri di lavorazione che implicano la densità di energia del laser per fondere la polvere di metallo.

I ricercatori hanno recentemente pubblicato un articolo, intitolato ” Fabbricazione e caratterizzazione di occhiali metallici a base di Fe con Selective Laser Melting “, nel giornale Optics and Laser Technology. La carta descrive l’elevato potenziale di SLM per la stampa 3D di componenti in vetro metallico con geometrie complesse.

L’abstract dice: “Gli occhiali metallici a base di Fe (MG) possono essere potenziali materiali strutturali a causa di una combinazione eccezionale di proprietà di resistenza, corrosione e resistenza all’usura. Tuttavia, molti metodi tradizionali sono difficili da fabbricare MG basati su Fe con geometria complessa. In questo studio, una nuova tecnologia di lavorazione metallurgica, la fusione laser selettiva (SLM), è stata impiegata per fabbricare occhiali metallici Fe-Cr-Mo-W-M-C-Si-B. La microstruttura, la stabilità termica e le proprietà meccaniche dell’elaborazione dei campioni as-fabricate con densità di energia laser diverse sono state studiate mediante diffrazione a raggi X (XRD), microscopio elettronico a scansione (SEM), microscopia elettronica a trasmissione (TEM), calorimetria a scansione differenziale ( DSC) e nano-durezza. Grazie alle elevate velocità di raffreddamento di SLM, le fasi cristalline nella polvere atomizzata a gas scomparvero quasi completamente e parti di struttura quasi completamente amorfe furono ottenute dopo il trattamento SLM. Scegliendo parametri appropriati, le dimensioni e la quantità dei pori sono state ridotte in modo efficace e la densità relativa dei campioni può raggiungere valori superiori al 96%. Sebbene sia necessario un ulteriore lavoro per rimuovere la porosità residua ed evitare la formazione di fessurazioni durante la lavorazione, i risultati attuali contribuiscono allo sviluppo di parti di vetri metallici sfusi a base di Fe con geometria complessa tramite l’SLM. ”
(a) Immagine di elettroni secondari SEM della polvere polverizzata con gas; (b) Immagine SEM dispersa nella parte trasversale della polvere.
I BMG basati su Fe sono importanti per la loro combinazione unica di elevate proprietà fisiche, chimiche e meccaniche, bassa affinità con l’ossigeno e il fatto che la materia prima sia meno costosa di altri BMG commerciali. Così i ricercatori hanno utilizzato un sistema metallico Fe-Cr-Mn-Mo-WBC-Si a base di Fe con grande capacità di formazione del vetro (GFA) per lo studio e utilizzato la diffrazione a raggi X (XRD), microscopio elettronico a scansione (SEM), microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e calorimetria a scansione differenziale (DSC) per studiare le variazioni strutturali tra la polvere originale e le parti della stampante SLM 3D.

Campioni preparati con diversa densità di energia laser.
In base alla morfologia della polvere, le superfici sono molto lisce, il che si traduce in una buona scorrevolezza. Ma il team ha anche osservato che i micro-pori erano formati da vetro intrappolato e che la cristallizzazione si era verificata in una piccola quantità di polvere, a causa del fatto che, come hanno spiegato i ricercatori, “la velocità di raffreddamento durante l’atomizzazione del gas non è elevata abbastanza per sopprimere la cristallizzazione. ”

Tuttavia, le fasi cristalline  nella polvere atomizzata a gas scomparvero dopo la stampa SLM 3D.

I campioni sono stati stampati in 3D con diverse densità di energia laser, al fine di indagare le proprietà meccaniche degli occhiali metallici e l’evoluzione microstrutturale. Scegliendo i parametri appropriati, i ricercatori sono stati in grado di stampare con successo occhiali metallici di alta qualità a base di Fe.

“Attualmente è una grande sfida produrre leghe vetrose su larga scala in sofisticate geometrie con le tecnologie esistenti. La tecnologia SLM, che include il riscaldamento della polvere per sciogliersi in tempi brevissimi e quindi le procedure di solidificazione rapida del pool di fusione, offre nuove opportunità per la creazione di un’ampia libertà geometrica di componenti in vetro metallico “, hanno spiegato i ricercatori. “Dai risultati sopra riportati, abbiamo notato che sebbene la polvere ricevuta in precedenza si fosse parzialmente cristallizzata, la polvere ha subito una procedura di elaborazione laser rapida con alte velocità di raffreddamento, portando a una struttura quasi completamente amorfa. Questo fenomeno dimostra che sotto condizioni di lavorazione SLM ottimizzate, la nucleazione e la cristallizzazione sono inibite e si può acquisire la struttura amorfa. ”
Hanno anche notato che per migliorare la qualità delle parti stampate SLM 3D diminuendo micro-cricche e pori, è necessaria un’ulteriore messa a punto dei parametri di elaborazione.I ricercatori hanno concluso: “Inoltre, il processo di preparazione del sistema di polvere deve ancora essere ottimizzato e assicurare che si ottengano polveri con struttura completamente amorfa che elimina la cristallizzazione nelle parti SLM. I risultati attuali confermano che la produzione additiva di SLM rappresenta un metodo di lavorazione alternativo per la preparazione di componenti in vetro metallico sfuso senza limiti di dimensioni e complessità. Il metodo di lavorazione e le condizioni sono in linea di principio disponibili per un’ampia varietà di produzione di occhiali metallici. ”
I coautori del documento includono XD  Nong,  XL  Zhou  e  YX  Ren con il laboratorio chiave di stato dell’università per metalli e materiali avanzati.

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