Ossidazione del titanio in uno studio dell’Università di Cranfield durante la stampa 3D WAAM

La produzione di fili e archi addizionali, o WAAM, è una tecnica efficace che è stata utilizzata nell’industria aerospaziale , marittima e in altri settori. La tecnologia prevede l’uso di un filo metallico e un arco elettrico come quello utilizzato nella saldatura, ed è più veloce e meno costoso rispetto ad altri metodi di produzione additiva. Tuttavia, non è un processo perfetto. In un documento intitolato ” Ossidazione di Ti-6Al-4V durante la produzione di additivi per fili e archi”, un gruppo di ricercatori discute un problema comune in WAAM: quello dell’ossidazione.

L’ossidazione si verifica frequentemente durante la WAAM a causa dell’alta reattività del titanio con l’ossigeno alle alte temperature. Un segno di ossidazione è la decolorazione dovuta a uno strato fragile arricchito di ossigeno vicino alla superficie (Alpha Case), che può essere dannoso per le proprietà meccaniche della parte. I ricercatori hanno studiato l’ossidazione di una lega di titanio durante WAAM per “determinare il meccanismo ei principali parametri di processo che controllano questo fenomeno”. I campioni di deposizione di arco e filo trasferiti al plasma sono stati prodotti modificando i parametri di deposizione oi livelli di ossigeno nell’atmosfera di fusione. I campioni sono stati caratterizzati da ispezione visiva, microscopio ottico, microscopio elettronico a scansione e test meccanici a trazione.

“Per qualsiasi livello di ossigeno contenuto nell’ambiente schermante, è stato riscontrato che se le temperature sono sufficientemente elevate ei tempi di esposizione lunghi, si osserva l’ossidazione del titanio”, affermano i ricercatori. “Inoltre, è stato possibile determinare che l’ossidazione è più significativa nella regione dei primi strati depositati. La profondità massima di Alpha Case è risultata di 200 μm per i campioni costruiti con una corrente più elevata (220 A) e una larghezza di oscillazione più ampia. I test di trazione hanno rivelato che aumentare di 40 volte i livelli di ossigeno nell’ambiente di schermatura non influisce in modo significativo sulla resistenza a trazione. ”
La temperatura e il tempo di esposizione, hanno scoperto i ricercatori, giocano ruoli più importanti dei livelli di ossigeno durante il processo di ossidazione WAAM. Concludono che finché l’ambiente di schermatura contiene ossigeno, l’ossidazione si verifica se i tempi di esposizione e di temperatura sono abbastanza alti, anche se i livelli di ossigeno sono bassi.

Diverse conclusioni generali sono state raggiunte dai test che i ricercatori hanno eseguito sui campioni:

Lo spessore massimo di Alpha Case si ottiene quando si utilizza una corrente più elevata in combinazione con una maggiore larghezza di oscillazione; lo spessore massimo di Alpha Case trovato era 200 μm. Le alte temperature e i tempi di esposizione sembrano avere un effetto maggiore sull’ossidazione rispetto al contenuto di ossigeno nell’ambiente schermante.
Per gli stessi parametri di deposizione, livelli di ossigeno più elevati nell’ambiente di schermatura portano ad un Alpha Case più profondo.
I diversi contenuti di ossigeno nel filo non sembrano avere un effetto significativo sullo spessore del case Alpha.
Le proprietà di trazione non sono compromesse da un aumento di ossigeno nell’ambiente di schermatura fino a 4000 ppm. Aumentando in modo significativo il livello di ossigeno si ottiene un aumento della forza e una riduzione dell’allungamento.
Un attento controllo dei parametri può mitigare gli effetti dell’ossidazione, ma rimane un problema, in particolare nel settore aerospaziale dove i componenti in titanio sono comunemente usati. Poiché le temperature sono così elevate durante la WAAM, l’ossidazione tende ad accadere e crea lo strato esterno duro, fragile, difficile da etichettare noto come Alpha Case. Gli autori di questo articolo, tuttavia, sono in grado di offrire maggiori informazioni sulla condizione e sul potenziale per evitare gli effetti più gravi.

Autori del giornale includono Armando Caballero, Jialuo Ding, Yashwanth Bandari e Stewart Williams.

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