Progressi nel bimetallico

Le capacità di deposizione bimetallica sono spesso citate come motivo principale per l'uso della deposizione a energia diretta (DED) in vari settori. La combinazione di più materiali in un'unica parte solida apre la possibilità di migliorare le prestazioni scegliendo intenzionalmente le proprietà del materiale in linea con le proprietà prestazionali richieste in diverse aree del pezzo. Questo vantaggio è accelerato quanto più dissimili sono i metalli combinati e quanto più le proprietà delle parti possono essere modificate.

Storicamente, l’uso del rame nel DED è stato limitato a causa della sua natura riflettente. Nuove strategie di processo hanno consentito l’adozione anticipata del rivestimento sui componenti in rame. Tuttavia, geometrie più complesse e l’elevato costo del materiale del rame rendono desiderabile depositare anche il rame. I recenti progressi nel settore dei laser rendono possibile l’utilizzo dei laser blu nelle macchine DED che consentono la deposizione di leghe di rame più avanzate oltre che di rame puro.

Utilizzando i laser a infrarossi (IR = 1.040 nm), il coefficiente di assorbimento del rame puro è solo del 2% circa. Pertanto sono state utilizzate leghe di rame che aumentano l'assorbimento, come CuAl10, CuSn8, CU18150 e altre. Tuttavia, l’assorbimento è ben inferiore a quello degli acciai più comunemente utilizzati e quindi i laser ad alta potenza superiori a 3.000 W trovano un buon utilizzo in tali applicazioni. Inoltre, negli ultimi anni hanno avuto successo il preriscaldamento del substrato di rame e strategie avanzate di rivestimento che utilizzano angoli di deposizione più efficaci.

Le applicazioni tipiche si concentrano sul rivestimento di Inconel su un substrato di rame in varie applicazioni spaziali, più comunemente ugelli per razzi. Ad esempio, la Figura 1 mostra la configurazione di un rivestimento in rame realizzato in CU18150 su un sistema di fusione a letto di polvere laser (LPBF) (LASERTEC 30 DUAL SLM di DMG Mori) bloccato nel mandrino principale del tornio a cinque assi mulino LASERTEC 3000 DED macchina ibrida. Il rivestimento in rame del CU18150 è stato costruito utilizzando un laser da 1.000 W sul sistema LPBF e attorno al diametro esterno sono stati aggiunti canali di raffreddamento aperti. Sulla macchina DED ibrida è stato utilizzato un laser da 3.000 W per depositare Inconel 625 attorno alla circonferenza e chiudere di conseguenza i canali del refrigerante. La riflessione del rivestimento in rame rappresenta una sfida per stabilire un processo stabile che porti a un corretto legame del materiale.

Con la giusta strategia di deposizione e un percorso utensile avanzato creato in un programma CAM a cinque assi come Siemens NX, è possibile ottenere risultati positivi, come mostrato nella Figura 2. Uno strato coerente di Inconel viene applicato attorno alla circonferenza e l'analisi microstrutturale mostra un buon legame tra il substrato di rame e lo strato di Inconel.

Utilizzando una combinazione di un sistema LPBF e un sistema DED, la dimensione di tali componenti è limitata alle dimensioni tipiche dell'involucro di un piede cubo, o leggermente più grandi negli sviluppi più recenti delle macchine. Per soddisfare i requisiti dell’industria spaziale, è auspicabile utilizzare l’intera gamma di macchine ibride DED che coprono diametri fino a 1.250 mm e lunghezze delle parti fino a 6.000 mm tra i mandrini. Di conseguenza, un sistema DED in grado di depositare rame e quindi costruire il rivestimento in rame nello stesso involucro rappresenta un’enorme opportunità per componenti spaziali più avanzati con vantaggi economici molto interessanti.

I recenti sviluppi nel settore dei laser forniscono laser a diodi con una potenza laser maggiore in gamme di lunghezze d'onda alternative. In particolare, i laser a luce verde e blu nello spettro della luce visibile sono diventati economicamente fattibili solo di recente. La Figura 3 mostra il vantaggio dell'utilizzo di laser a luce blu in uno spettro di lunghezze d'onda di 450 nm rispetto ai laser IR compresi tra 900 e 1.070 nm. I laser blu (450 nm) mostrano ulteriori progressi rispetto ai laser verdi (515 nm). L'assorbimento di energia è migliorato per tutti i metalli, con i guadagni più significativi ottenuti con il rame.

Un confronto tra gli elementi base ferro, nichel e rame mostra un migliore assorbimento. Il rame assorbe a malapena la luce nello spettro IR e raggiunge lo stesso livello di assorbimento del nichel e del ferro nello spettro della lunghezza d'onda blu. Inoltre, il nichel assorbe la luce con un’efficienza superiore del 19% nella gamma dei laser blu. Di conseguenza, la deposizione di rame puro e leghe di rame a bassa lega come CU18150 diventa fattibile nel processo DED.