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In un recente articolo pubblicato sulla rivista Additive Manufacturing Letters, i ricercatori discutono il processo di fusione laser per i compositi di rame basati sull’acciaio inossidabile 316L.
Ricerca: Sintesi di compositi acciaio inossidabile 316L-rame mediante fusione laser.Credito immagine: pedale in stock / Shutterstock.com
Sebbene il trasferimento di calore all'interno di un solido omogeneo sia diffuso, il calore può viaggiare attraverso una massa solida lungo il percorso di minor resistenza.Nei radiatori in schiuma metallica, si consiglia di utilizzare l'anisotropia della conduttività termica e della permeabilità per aumentare la velocità di trasferimento del calore.
Inoltre, si prevede che la conduzione termica anisotropa contribuisca a ridurre le perdite parassite causate dalla conduzione assiale negli scambiatori di calore compatti.Sono stati utilizzati vari metodi per modificare la conduttività termica di leghe e metalli.Nessuno di questi approcci è adatto per ampliare le strategie di controllo direzionale del flusso di calore nei componenti metallici.
I compositi a matrice metallica (MMC) sono prodotti da polveri macinate a sfere utilizzando la tecnologia di fusione laser in letto di polvere (LPBF).Recentemente è stato proposto un nuovo metodo ibrido LPBF per fabbricare leghe ODS 304 SS drogando i precursori dell'ossido di ittrio in uno strato di polvere SS 304 prima della densificazione laser utilizzando la tecnologia a getto d'inchiostro piezoelettrico.Il vantaggio di questo approccio è la capacità di regolare selettivamente le proprietà del materiale in diverse aree dello strato di polvere, consentendo di controllare le proprietà del materiale all'interno del volume di lavoro dello strumento.
Rappresentazione schematica del metodo del letto riscaldato per (a) post-riscaldamento e (b) conversione dell'inchiostro.Credito immagine: Murray, JW et al.Lettere sulla produzione additiva.
In questo studio, gli autori hanno utilizzato l’inchiostro a getto d’inchiostro Cu per dimostrare un metodo di fusione laser per la produzione di compositi a matrice metallica con una migliore conduttività termica rispetto all’acciaio inossidabile 316L.Per simulare un metodo ibrido di fusione a getto d’inchiostro con letto di polvere, uno strato di polvere di acciaio inossidabile è stato drogato con inchiostri precursori di rame ed è stato utilizzato un nuovo serbatoio per controllare i livelli di ossigeno durante la lavorazione laser.
Il team ha creato compositi di acciaio inossidabile 316L con rame utilizzando inchiostro di rame a getto d'inchiostro in un ambiente che simula la lega laser in un letto di polvere.Preparazione di reattori chimici utilizzando una nuova tecnica ibrida a getto d'inchiostro e LPBF che sfrutta la conduzione termica direzionale per ridurre le dimensioni e il peso complessivi del reattore.Viene dimostrata la possibilità di creare materiali compositi utilizzando inchiostro a getto d'inchiostro.
I ricercatori si sono concentrati sulla selezione dei precursori dell'inchiostro Cu e sulla procedura di produzione dei prodotti di prova compositi per determinare la densità del materiale, la microdurezza, la composizione e la diffusività termica.Sono stati selezionati due inchiostri candidati in base alla stabilità all'ossidazione, al basso o all'assenza di additivi, alla compatibilità con le testine di stampa a getto d'inchiostro e al minimo residuo dopo la conversione.
I primi inchiostri CufAMP utilizzano formiato di rame (Cuf) come sale di rame.L'esafluoroacetilacetonato di viniltrimetilrame(II) (Cu(hfac)VTMS) è un altro precursore dell'inchiostro.È stato condotto un esperimento pilota per verificare se l'essiccazione e la decomposizione termica dell'inchiostro comportano una maggiore contaminazione da rame a causa del trascinamento di sottoprodotti chimici rispetto all'essiccazione e alla decomposizione termica convenzionali.
Utilizzando entrambi i metodi, sono stati realizzati due microcoupon e la loro microstruttura è stata confrontata per determinare l'effetto del metodo di commutazione.Con un carico di 500 gf e un tempo di mantenimento di 15 s, la microdurezza Vickers (HV) è stata misurata nella sezione trasversale della zona di fusione di due campioni.
Schema della configurazione sperimentale e delle fasi del processo ripetute per la fabbricazione di campioni compositi 316L SS-Cu fabbricati utilizzando il metodo del letto riscaldato.Credito immagine: Murray, JW et al.Lettere sulla produzione additiva.
È stato riscontrato che la conduttività termica del composito è superiore del 187% rispetto a quella dell'acciaio inossidabile 316L e la microdurezza è inferiore del 39%.Studi microstrutturali hanno dimostrato che la riduzione delle fessurazioni interfacciali può migliorare la conduttività termica e le proprietà meccaniche dei compositi.Per il flusso di calore direzionale all'interno dello scambiatore di calore, è necessario aumentare selettivamente la conduttività termica dell'acciaio inossidabile 316L.Il composito ha una conduttività termica effettiva di 41,0 W/mK, 2,9 volte quella dell'acciaio inossidabile 316L e una riduzione della durezza del 39%.
Rispetto all'acciaio inossidabile 316L forgiato e ricotto, la microdurezza del campione nello strato riscaldato era di 123 ± 59 HV, ovvero inferiore del 39%.La porosità del composito finale era del 12%, associata alla presenza di cavità e crepe all'interfaccia tra le fasi SS e Cu.
Per i campioni dopo il riscaldamento e lo strato riscaldante, la microdurezza delle sezioni trasversali della zona di fusione è stata determinata rispettivamente come 110 ± 61 HV e 123 ± 59 HV, che è inferiore del 45% e del 39% rispetto a 200 HV per forgiato-ricotto Acciaio inossidabile 316L.A causa della grande differenza nella temperatura di fusione del Cu e dell'acciaio inossidabile 316L, circa 315°C, si sono formate crepe nei compositi fabbricati a seguito della rottura da fluidificazione causata dalla fluidificazione del Cu.
Immagine BSE (in alto a sinistra) e mappa degli elementi (Fe, Cu, O) dopo il riscaldamento del campione, ottenuta mediante analisi WDS.Credito immagine: Murray, JW et al.Lettere sulla produzione additiva.
In conclusione, questo studio dimostra un nuovo approccio per creare compositi 316L SS-Cu con una migliore conduttività termica rispetto all’SS 316L utilizzando inchiostro di rame spruzzato.Il composito viene realizzato mettendo l'inchiostro in un vano portaoggetti e convertendolo in rame, quindi aggiungendovi sopra polvere di acciaio inossidabile, quindi mescolando e polimerizzando in un saldatore laser.
I risultati preliminari mostrano che l'inchiostro Cuf-AMP a base di metanolo può degradarsi in rame puro senza formare ossido di rame in un ambiente simile al processo LPBF.Il metodo del letto riscaldato per l'applicazione e la conversione dell'inchiostro crea microstrutture con meno vuoti e impurità rispetto alle procedure di post-riscaldamento convenzionali.
Gli autori notano che gli studi futuri esploreranno modi per ridurre la dimensione dei grani e migliorare la fusione e la miscelazione delle fasi SS e Cu, nonché le proprietà meccaniche dei compositi.
Murray JW, Speidel A., Spierings A. et al.Sintesi di compositi acciaio inossidabile 316L-rame mediante fusione laser.Scheda informativa sulla produzione additiva 100058 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000329
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Surbhi Jain è uno scrittore di tecnologia freelance con sede a Delhi, in India.Ha un dottorato di ricerca.Ha conseguito un dottorato di ricerca in Fisica presso l'Università di Delhi e ha partecipato a numerose attività scientifiche, culturali e sportive.Il suo background accademico è nella ricerca sulla scienza dei materiali con una specializzazione nello sviluppo di dispositivi ottici e sensori.Ha una vasta esperienza nella scrittura di contenuti, nella modifica, nell'analisi dei dati sperimentali e nella gestione di progetti e ha pubblicato 7 articoli di ricerca su riviste indicizzate Scopus e depositato 2 brevetti indiani basati sul suo lavoro di ricerca.È appassionata di lettura, scrittura, ricerca e tecnologia e le piace cucinare, giocare, fare giardinaggio e fare sport.
Giainismo, Surbhi.(25 maggio 2022).La fusione laser consente la produzione di compositi rinforzati in acciaio inossidabile e rame.AZ.Estratto il 25 dicembre 2022 da https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
Giainismo, Surbhi.“La fusione laser consente la produzione di compositi in acciaio inossidabile rinforzato e rame”.AZ.25 dicembre 2022 .25 dicembre 2022 .
Giainismo, Surbhi.“La fusione laser consente la produzione di compositi in acciaio inossidabile rinforzato e rame”.AZ.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.(Al 25 dicembre 2022).
Giainismo, Surbhi.2022. Produzione di compositi rinforzati in acciaio inossidabile/rame mediante fusione laser.AZoM, accesso il 25 dicembre 2022, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
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