la stampa 3D può produrre facilmente componenti metallici con strutture complesse e proprietà di leggerezza, caratteristica particolarmente attraente per le attrezzature di fascia alta della prossima generazione, come aerei e veicoli spaziali, che richiedono riduzione del peso e integrazione. Tuttavia, i componenti metallici realizzati mediante stampa 3D presentano generalmente un difetto critico: scarse prestazioni in termini di resistenza alla fatica, il che significa che sono soggetti a crepe da fatica sotto carichi ciclici, limitandone gravemente le applicazioni chiave. Recentemente, un team guidato dai ricercatori Zhang Zhefeng e Zhang Zhenjun dell’Istituto di Ricerca sui Metalli dell’Accademia Cinese delle Scienze (IMR, CAS) ha sviluppato una nuova tecnologia di post-processo per la stampa 3D. Il materiale in lega di titanio prodotto mediante questa tecnologia NAMP mostra una resistenza alla fatica senza precedenti sotto diverse condizioni di rapporto di tensione, con prestazioni complessive di fatica superiori a quelle di tutti i materiali metallici finora noti, eliminando così un importante ostacolo all’applicazione della tecnologia di stampa 3D nei settori ad alta precisione e all’avanguardia. I risultati della ricerca correlata sono stati pubblicati su Science Advances.
All'inizio del 2024, il team ha ideato un nuovo processo NAMP in grado di controllare con precisione la struttura interna e i difetti dei materiali. Il Ti-6Al-4V, una delle leghe di titanio più comunemente utilizzate e prodotte mediante questo processo, riesce a eliminare sia i micropori sia le microstrutture grossolane—entrambe responsabili principali della fatica. Questo nuovo materiale ha stabilito il record mondiale per la "resistenza specifica alla fatica" nelle condizioni di rapporto di sollecitazione "trazione-trazione".
Tuttavia, componenti reali come le pale dei motori aeronautici e i carrelli di atterraggio sono sottoposti a condizioni di sollecitazione estremamente complesse, che includono non solo scenari di "trazione-trazione", ma anche scenari di "trazione-compressione", il che significa che il rapporto di sollecitazione è variabile. Rapporti di sollecitazione diversi possono innescare meccanismi di danno differenti all’interno del materiale. Le microstrutture delle leghe tradizionali di titanio presentano spesso limitazioni: esse offrono prestazioni elevate solo in corrispondenza di determinati rapporti di sollecitazione specifici, ma possono risultare meno performanti quando tale rapporto varia. Ciò rende estremamente difficile produrre un materiale in grado di garantire prestazioni ottimali in tutte le condizioni operative.
Di fronte a questa sfida più complessa, il team di ricerca ha identificato diversi punti deboli nelle leghe di titanio soggetti a crepe da fatica e le modalità di sollecitazione sotto le quali si verificano. Utilizzando il processo NAMP, hanno prodotto strutture stampate in 3D quasi prive di porosità, in grado di ottimizzare contemporaneamente tutti i punti deboli. Questa lega di titanio stampata in 3D possiede la caratteristica di mantenere un’elevata resistenza alla fatica anche in condizioni di rapporto di sollecitazione completo.
I dati sperimentali mostrano che, nei test di fatica effettuati a diversi rapporti di sollecitazione, la resistenza alla fatica di questo nuovo materiale non solo supera quella di tutte le leghe di titanio, ma la sua «resistenza specifica alla fatica» risulta complessivamente superiore a quella di tutti i materiali metallici, stabilendo un nuovo record mondiale.
EN