Produzione additiva del titanio: laser, fascio di elettroni e arco elettrico

Le leghe di titanio combinano un’elevata resistenza specifica, resistenza alla corrosione e resistenza alle alte temperature, ma la loro lavorazione convenzionale è costosa e complessa. La produzione additiva consente di realizzare componenti con forma quasi definitiva strato dopo strato, rendendola una soluzione interessante per parti complesse destinate al settore aerospaziale e medico. Le principali fonti di energia sono i laser, i fasci di elettroni e gli archi elettrici.

Produzione additiva laser

Fusione selettiva a laser

La fusione selettiva laser utilizza un raggio laser focalizzato per fondere strati successivi di polvere su un letto, in base ai dati del modello suddivisi in sezioni. Una volta che uno strato si è solidificato, la piattaforma di costruzione si abbassa, viene distribuita nuova polvere e il ciclo si ripete.

Parametri di processo quali la potenza del laser, la velocità di scansione, lo spessore dello strato, la distanza tra le linee di scansione e la strategia di scansione influenzano la densità, i difetti, le tensioni residue e la struttura superficiale. Uno studio sul Ti-6Al-4V citato nella fonte riporta che una ricottura completa a 840 °C per 2 ore modifica la microstruttura del pezzo appena realizzato e ne migliora l’uniformità.

Deposizione di metallo mediante laser

La deposizione laser di metallo alimenta la polvere o il filo direttamente in un bagno di fusione creato dal laser. Consente di realizzare elementi di grandi dimensioni e di riparare componenti costosi, ma la precisione di deposizione e la qualità superficiale sono generalmente inferiori rispetto alla fusione a letto di polvere. La solidificazione direzionale rapida può produrre grani colonnari grossolani di tipo prior-beta e una struttura a intreccio, come illustrato per il Ti-17.

I processi laser offrono un elevato livello di precisione e un ottimo sfruttamento del materiale, ma il costo delle polveri, le tensioni residue, le dimensioni limitate dei modelli realizzabili, la stabilità del processo e la necessità di una post-lavorazione continuano a rappresentare dei limiti.

Produzione additiva con fascio di elettroni

La fusione a letto di polvere con fascio di elettroni avviene sotto vuoto e prevede il preriscaldamento del letto di polvere, riducendo così i gradienti termici e le tensioni residue. È particolarmente indicata per le leghe di titanio reattive e consente di raggiungere elevate velocità di deposizione, sebbene la finitura superficiale e la precisione dimensionale siano generalmente inferiori rispetto alla fusione a letto di polvere con laser.

La fonte riferisce che il Ti-6Al-4V ottenuto con fusione a letto di polvere è in grado di mantenere una buona duttilità criogenica, con un allungamento pari a circa 20% a 20 K e 29% a 77 K, e attribuisce tale comportamento al gemellaggio da deformazione.

Produzione additiva ad arco elettrico

La produzione additiva ad arco con filo utilizza un arco elettrico e filo come materiale di apporto. L’elevata velocità di deposizione e il basso costo del materiale di apporto la rendono adatta a componenti strutturali di grandi dimensioni, ma l’apporto di calore è elevato, la precisione dimensionale è inferiore e può essere necessaria una lavorazione meccanica sostanziale. Il ciclo termico può dare origine a bande macroscopiche e microstrutture eterogenee nei depositi di Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V.

Quale processo di produzione additiva del titanio dovresti scegliere?

I lavori futuri si stanno orientando verso i compositi a matrice di titanio, le leghe destinate a temperature di esercizio superiori a 600 °C e i rinforzi su scala nanometrica, quali TiB e TiC. Per una più ampia diffusione industriale saranno essenziali un monitoraggio affidabile, la simulazione, il controllo dei difetti e regole di progettazione specifiche per ciascun processo.