18Ni300 Polvere di lega in acciaio inox nichel in 3D Priting

Scritto da: Tresa M. Pollock

Tresa M. Pollock è Alcoa Distinguished Professor of Materials presso l'Università della California, Santa Barbara, e membro della U.S. National Academy of Engineering. Ha conseguito la laurea in Ingegneria metallurgica presso la Purdue University e il dottorato in Scienza e ingegneria dei materiali presso il MIT.

Le sue ricerche riguardano la progettazione di leghe, la caratterizzazione dei materiali in 3-D, la lavorazione e le prestazioni dei materiali strutturali in ambienti estremi e le interazioni laser ultraveloci. La dott.ssa Pollock è stata insignita di numerosi riconoscimenti, tra cui borse di studio in società professionali come TMS e ASM, e ruoli di leadership come quello di ex presidente della Minerals, Metals & Materials Society.

Nel mondo dei materiali metallici ad alte prestazioni, l'acciaio maraging è senza dubbio la stella più brillante. Grazie alle sue caratteristiche uniche di altissima resistenza, eccellente tenacità e buona lavorabilità, occupa una posizione insostituibile in molti campi all'avanguardia. In questo tipo di acciaio, l'acciaio maraging 18Ni300, come dimostra il suo numero, con un contenuto di nichel fino a 18%, è uno dei più importanti. Sta mostrando prospettive di applicazione sempre più ampie nel settore aerospaziale, nella produzione di stampi di precisione e di parti meccaniche ad alte prestazioni con requisiti prestazionali estremamente severi. La comparsa del 18Ni300 ha risolto in una certa misura il problema degli acciai tradizionali ad alta resistenza per quanto riguarda la tenacità e le prestazioni a fatica.

Questo articolo analizza i vantaggi unici della polvere di lega 18Ni300. Esploreremo come la sua squisita composizione chimica le conferisca straordinarie proprietà meccaniche, nonché le applicazioni e le superfici all'avanguardia apportate dalla polvere di lega 18Ni300 nell'attuale campo di alto profilo della fabbricazione additiva.

perché scegliere 18Ni300:

Tra le tante leghe, perché privilegiare la 18Ni300? La polvere di lega 18Ni300, soprattutto per la sua posizione unica nel sistema di leghe a base di acciaio inossidabile e nichel, è un esempio della perfetta combinazione di prestazioni e applicazioni.

Resistenza e tenacità elevatissime: Presenta un perfetto equilibrio tra resistenza allo snervamento, resistenza alla trazione e tenacità alla frattura. Nel campo degli acciai tradizionali, spesso è necessario trovare un compromesso tra resistenza e tenacità. Ma il 18Ni300, come il giocatore a tutto tondo, offre una resistenza estrema, molto superiore a quella dell'acciaio tradizionale, pur mantenendo un'eccellente tenacità alla frattura: è il materiale perfetto per la progettazione di componenti chiave che devono resistere a sollecitazioni e carichi d'impatto elevati.

Eccellente stabilità dimensionale: Nel campo della produzione di precisione, la stabilità dimensionale dei materiali è uno dei fattori chiave che determinano il successo o il fallimento dei prodotti. Il 18Ni300 ha ottenuto risultati eccezionali in questo senso. La sua temperatura di trasformazione in martensite più bassa significa che

Buona lavorabilità: Non guardate alla sua resistenza finale così elevata: allo stato ricotto, il 18Ni300 è in realtà relativamente "docile", con buone prestazioni di lavorazione. Ciò significa che, prima del processo di tempra finale, è possibile eseguire operazioni di taglio, foratura e altre operazioni, migliorando notevolmente la flessibilità e l'efficienza della produzione. Vale la pena ricordare che, quando è in polvere, è molto adattabile ai processi di produzione additiva (come SLM, EBM). Personalmente ritengo che la combinazione di metallurgia delle polveri e produzione additiva sia una direzione importante per lo sviluppo futuro del 18Ni300. Ci offre infinite possibilità di superare i limiti geometrici della produzione tradizionale e di realizzare lo stampaggio integrato di strutture complesse.

Aree di applicazione: Grazie a queste eccellenti caratteristiche, i settori di applicazione del 18Ni300 sono sempre più ampi e tutti di "alta precisione". Ad esempio, i componenti dei carrelli di atterraggio e le varie parti strutturali dell'industria aerospaziale, grazie all'elevata resistenza e all'alta tenacità per garantire la sicurezza del volo. Stampi ad alte prestazioni, in particolare stampi per pressofusione e stampi per materie plastiche, il 18Ni300 è in grado di resistere alle alte temperature e alle alte pressioni, prolungando notevolmente la durata degli stampi. Nel campo delle corse, dove la leggerezza e l'alta resistenza sono l'eterno obiettivo, i componenti in lega 18Ni300 possono migliorare significativamente le prestazioni dei veicoli. La lega 18Ni300 può essere utilizzata anche negli strumenti medici, come gli strumenti chirurgici o gli impianti. In definitiva, finché si tratta di resistenza, tenacità e stabilità dimensionale, il 18Ni300 è un'opzione prioritaria.

Cosa fa 18Ni300 media?

“18”: Il contenuto di nichel (Ni) in questa lega è di circa 18% in peso. Il nichel non è solo un elemento chiave nella formazione della martensite, ma anche un fattore decisivo nel successivo indurimento per invecchiamento. Senza una quantità sufficiente di nichel, le proprietà di questa lega sono fuori discussione. Mi piace sempre pensare che sia lo "scheletro" della lega, che sostiene l'intero sistema di prestazioni.

"Ni": questo è più intuitivo, ha evidenziato chiaramente che si tratta di una lega a base di nichel, o almeno il contenuto di nichel è molto significativo. Nel mondo delle leghe, l'identificazione degli elementi è fondamentale, in quanto ci permette di individuare rapidamente le grandi categorie e le potenziali proprietà dei materiali.

“300”: Questo numero rappresenta la resistenza alla trazione tipica di questa lega dopo una serie di trattamenti termici, solitamente espressa in KSI (chilopound per pollice quadrato), che è di circa 300 KSI, convertito nell'unità più familiare, è di circa 2070 MPa. Questo è l'indice di prestazione meccanica più importante. Quando gli ingegneri mi dicono che hanno bisogno di un materiale ad alta resistenza, penso prima di tutto a queste leghe con marcature digitali ad alta resistenza.

18Ni300 composizione chimica:

I principali elementi di lega e il loro ruolo:

• Nichel (Ni, ~ 17,0-19,0%): Il nichel è l'elemento "anima" dell'acciaio maraging. Non solo stabilizza l'austenite, ma riduce il punto di trasformazione martensitico e garantisce una matrice martensitica morbida, essenziale per il successivo indurimento per invecchiamento. Inoltre, la sua presenza migliora significativamente la tenacità della lega: un'alta resistenza senza tenacità non è quello che vogliamo. Ancora meglio, il nichel è anche alla base della formazione di molti precipitati chiave.
• Cobalto (Co, ~ 8,5-9,5%): Il cobalto è per me un po' un acceleratore". Può aumentare la temperatura di trasformazione della martensite, il che significa che è più facile formare la martensite durante il raffreddamento. Allo stesso tempo, il cobalto può anche ridurre sottilmente la solubilità del nichel nel ferro, il che sembra un po' controintuitivo, ma in realtà può accelerare la formazione di fasi precipitate durante il processo di invecchiamento, migliorando così la durezza in modo più rapido ed efficace.
• Molibdeno (Mo, ~ 4,6-5,2%): Il molibdeno svolge molteplici ruoli nel 18Ni300. In primo luogo, può aumentare la resistenza della matrice attraverso il rafforzamento in soluzione solida. In secondo luogo, contribuisce a raffinare i grani e a inibire la migrazione dei confini dei grani, il che è molto utile per migliorare le proprietà meccaniche complessive del materiale. Naturalmente, cosa più importante, il molibdeno forma composti intermetallici con il nichel, come Ni3Mo, che precipitano durante il processo di invecchiamento e contribuiscono ulteriormente al miglioramento della durezza della lega.
• Titanio (Ti, ~ 0,6-0,8%): Quando si parla di indurimento per invecchiamento, non si può mai ignorare il titanio! A mio parere, il titanio è la chiave dell'"esplosione di durezza" del 18Ni300. Forma composti intermetallici come il Ni3Ti con il nichel, e questi precipitati su scala nanometrica si disperdono nella matrice di martensite per formare forti punti di appiglio per le dislocazioni, migliorando così in modo significativo la resistenza allo snervamento e la durezza del materiale. Si può dire che senza il titanio non esisterebbe il 18Ni300 iconico ad alta resistenza.
• Alluminio (Al, ~ 0,05-0,15%): L'alluminio presente in questa formula, sebbene la quantità non sia elevata, ha un effetto non trascurabile. È innanzitutto un efficace disossidante che ci aiuta a controllare il contenuto di ossigeno nel processo di fusione. In secondo luogo, l'alluminio può anche raffinare i grani in una certa misura. Naturalmente, può anche essere coinvolto in alcuni complessi meccanismi di rafforzamento della precipitazione.

Controllo degli elementi in traccia:

Come scienziato dei materiali, ho una richiesta quasi paranoica di "purezza" dei materiali. Controlliamo rigorosamente il contenuto di impurità dannose come il carbonio (C), lo zolfo (S) e il fosforo (P), che sono come le "pecore nere" della lega. Un contenuto eccessivo di carbonio influisce sulla saldabilità e sulla tenacità; lo zolfo e il fosforo formano facilmente composti a basso punto di fusione ai confini del grano, con conseguente infragilimento del materiale. Pertanto, mantenere il loro contenuto a un livello molto basso è essenziale per garantire le eccellenti prestazioni della 18Ni300.

Per rendere il tutto più intuitivo, ho compilato una tabella che mostra la composizione chimica tipica del 18Ni300.

Tabella: Gamma di composizione chimica tipica di 18Ni300 (percentuale in peso)

Elemento	Contenuto(%)
Ni	17.0-19.0
Co	8.5-9.5
Mo	4.6-5.2
Ti	0.6-0.8
Al	0.05-0.15
C	<0.03
S	<0.01
P	<0.01
Fe	Equilibrio

Applicazione e sfide della polvere di lega 18Ni300 nella fabbricazione additiva

Effetto sinergico della metallurgia delle polveri e della fabbricazione additiva

Il motivo per cui il 18Ni300 può essere perfettamente combinato con la produzione additiva è che la sua forma in polvere è il cuore. La produzione additiva, o stampa 3D come spesso si dice, è essenzialmente "costruzione di blocchi", impilando i materiali strato per strato. Come possiamo ottenere queste geometrie complesse senza la forma in polvere? Spesso sottolineo con i miei studenti che la fluidità, la densità e l'uniformità della polvere, parametri apparentemente banali, in realtà determinano direttamente la qualità e l'efficienza della stampa finale. Soprattutto per la lega ad alte prestazioni 18Ni300, l'elevata purezza e la perfetta sfericità della polvere sono fondamentali per garantire le prestazioni della stampa.

Attualmente sono due i tipi principali di tecnologie di produzione additiva che utilizziamo più comunemente. Il primo è fusione laser a letto di polvere (L-PBF), che utilizza un laser ad alta energia per fondere selettivamente uno strato di polvere densa, particolarmente adatto alla produzione di pezzi complessi che richiedono una precisione estremamente elevata. L'altro è fusione a fascio di elettroni (EBM), che opera in un ambiente sotto vuoto e fonde la polvere con un fascio di elettroni. L'EBM è più efficiente dal punto di vista energetico e può ridurre efficacemente le tensioni residue, ma lo svantaggio è che la rugosità della superficie può essere leggermente inferiore.

Indipendentemente dalla tecnologia, i requisiti per la qualità della polvere sono pressoché stringenti. La distribuzione granulometrica della polvere è solitamente compresa tra 15-45 micron o 20-63 micron e questo intervallo deve essere rigorosamente controllato. Inoltre, la sfericità, il contenuto di polvere satellite, il contenuto di ossigeno e la morfologia della superficie della polvere influenzano direttamente la stabilità del processo di fabbricazione additiva e la densità e le proprietà meccaniche del pezzo finale.

Effetto del processo di produzione additiva sulle proprietà del 18Ni300

La bellezza della produzione additiva è la sua "velocità". Ma questa velocità comporta anche sfide uniche.

effetto di solidificazione rapida

Durante la produzione additiva, i materiali sono sottoposti a un ciclo estremo di riscaldamento e raffreddamento rapido. Per il 18Ni300, ciò significa che la sua microstruttura e il processo di transizione di fase saranno molto diversi dal processo tradizionale. Il raffreddamento rapido fa sì che i grani diventino estremamente fini, formando quella che chiamiamo struttura martensitica ultra-fine. A volte, questo raffreddamento rapido può persino inibire la formazione di alcuni precipitati da invecchiamento o modificarne la morfologia.

Dal punto di vista delle prestazioni, il rafforzamento a grana fine di solito migliora la resistenza iniziale del materiale, il che sembra ottimo. Tuttavia, dobbiamo anche considerare la sfida. L'orientamento dei cristalli e le irregolarità del tessuto causate dalla rapida solidificazione possono portare ad un'anisotropia nel prodotto stampato, che deve essere presa in seria considerazione per la nostra successiva progettazione e applicazione.

sollecitazioni residue e cricche

Le tensioni residue, che rappresentano un problema a lungo termine nel campo della produzione additiva. Gradienti di temperatura elevati, raffreddamento rapido del materiale e ritiro non uniforme sono tutte cause di tensioni residue. Ho visto troppi pezzi deformarsi a causa delle tensioni residue e persino macro o microcrepe. Si tratta di un vero e proprio grattacapo, perché nessuno vuole che i pezzi stampati in modo rigido cadano in basso.

Per risolvere questo problema, di solito adottiamo alcune strategie, come il preriscaldamento del substrato, l'ottimizzazione della strategia di scansione (la scansione a scacchiera è un metodo comune), la regolazione della potenza e della velocità del laser o del fascio di elettroni, e naturalmente il successivo trattamento termico, in particolare la ricottura di distensione, è anch'esso essenziale.

Controllo della densità e dei difetti

La densità dei pezzi, a mio avviso, è la chiave di volta del successo della produzione additiva. Se la densità non è elevata, è impossibile parlare di altre proprietà, soprattutto delle prestazioni a fatica. Dobbiamo partire dall'origine, cioè controllare la qualità della polvere: fluidità, densità apparente, distribuzione granulometrica e purezza, che sono la base per ottenere stampe ad alta densità.

Successivamente, l'ottimizzazione dei parametri di processo, come la potenza del laser, la velocità di scansione, la distanza tra le linee e lo spessore dello strato, che influiscono direttamente sulla densità di energia, deve garantire che la polvere possa essere completamente fusa e formare un pool fuso stabile. Allo stesso tempo, anche la strategia di scansione è fondamentale per evitare la sovracombustione o la sottocombustione e per ottimizzare l'area di rifusione. I difetti più comuni, come la fusione incompleta, la porosità e le inclusioni, devono essere evitati.

L'importanza dei processi di post-trattamento

I pezzi prodotti in modo additivo richiedono spesso una serie di post-elaborazioni. Tra questi, due processi sono fondamentali.

Pressatura isostatica a caldo (HIP)

La pressatura isostatica a caldo, denominata HIP, è il "killer" per eliminare i pori interni. Sotto l'ambiente di alta temperatura e alta pressione, il materiale subisce una deformazione plastica e uno scorrimento per diffusione, in modo da chiudere i pori interni isolati. Spesso lo paragono a un profondo "massaggio" del pezzo per renderlo più denso all'interno.

Dopo il trattamento HIP, la densità del materiale sarà notevolmente migliorata e anche le proprietà meccaniche subiranno un salto di qualità, tra cui la resistenza allo snervamento, la resistenza alla trazione, l'allungamento e la durata a fatica. In base alla mia esperienza, le prestazioni dei pezzi di produzione additiva 18Ni300 trattati con HIP possono essere molto vicine a quelle dei forgiati tradizionali. I parametri comunemente utilizzati sono solitamente l'alta temperatura (ad esempio 1150-1200°C), l'alta pressione (ad esempio 100-150 MPa) e il mantenimento per 2-4 ore.

Trattamento termico

Il trattamento termico, in particolare il trattamento in soluzione e il trattamento di invecchiamento (solution-quenching-aging), è una fase fondamentale per indurre l'indurimento per precipitazione del 18Ni300 e ottimizzare le proprietà meccaniche.

Il primo è il trattamento della soluzione. Il suo scopo è quello di consentire agli elementi della lega, in particolare titanio, molibdeno e cobalto, di dissolversi completamente nella matrice martensitica. Questo non solo elimina le tensioni interne, ma permette anche di rendere più uniforme l'organizzazione.

Il prossimo è il trattamento dell'invecchiamento. Questo è un momento critico per l'esplosione delle prestazioni del 18Ni300. A una temperatura moderata (di solito 480-520°C) per un certo periodo di tempo, vedremo che i composti intermetallici ricchi di nichel, titanio e molibdeno (come Ni3Ti, Ni3Mo) precipitano uniformemente nella matrice di martensite, formando una fase di rafforzamento a dispersione su scala nanometrica. Questi piccoli precipitati sono come innumerevoli "chiodi d'acciaio", che migliorano notevolmente la durezza e la resistenza del materiale.

I parametri tipici di trattamento termico suggeriti sono: trattamento in soluzione a 815-830°C per 1 ora, seguito da raffreddamento in aria o tempra in acqua; trattamento di invecchiamento a 480-520°C per 3-6 ore, seguito da raffreddamento in aria. Tuttavia, è bene ricordare che, a causa della sua microstruttura unica, i parametri di trattamento termico ottimali per la produzione additiva di 18Ni300 possono essere diversi da quelli dei getti e dei pezzi fucinati tradizionali, per cui è necessario un lavoro di ottimizzazione.

In sintesi, la polvere di acciaio maraging 18Ni300 ha mostrato ampie prospettive di applicazione nel settore aerospaziale, negli stampi di precisione e nella produzione di macchinari ad alte prestazioni grazie alla sua altissima resistenza, all'eccellente tenacità e alla buona stabilità dimensionale. Soprattutto nella produzione additiva (stampa 3D), la polvere di lega 18Ni300 offre una nuova soluzione per la progettazione di strutture complesse e la produzione di materiali leggeri, grazie alle sue eccellenti caratteristiche di polvere e adattabilità. Grazie a un ragionevole controllo della qualità della polvere, all'ottimizzazione dei parametri di processo e alla combinazione di pressatura isostatica a caldo, trattamento termico e altri mezzi di post-lavorazione, le prestazioni complessive delle parti in 18Ni300 sono state paragonabili o addirittura superiori a quelle dei forgiati tradizionali. È prevedibile che con la continua maturazione della metallurgia delle polveri e della tecnologia di produzione additiva, l'acciaio maraging 18Ni300 diventerà un importante materiale di supporto per la produzione di fascia alta e una forza chiave per promuovere lo sviluppo della tecnologia di produzione avanzata in futuro.