Polvere di lega di alluminio AlSi10Mg ad alta resistenza per la fabbricazione additiva

AlSi10Mg è una lega alluminio-silicio-magnesio quasi eutettica che è probabilmente la polvere di alluminio più utilizzata e compresa nel campo della produzione additiva di metalli (AM), in particolare nei processi di Laser Powder Bed Fusion (LPBF). La sua popolarità deriva da un'eccellente combinazione di buona stampabilità, elevato rapporto resistenza/peso, proprietà termiche ed economicità.

Originariamente sviluppata per la colata tradizionale (dove è nota come A360), la sua composizione è eccezionalmente adatta alle caratteristiche di solidificazione rapida della stampa 3D, con conseguenti microstrutture fini e stabili e proprietà meccaniche superiori rispetto alla sua controparte fusa.

La composizione è controllata con precisione per garantire prestazioni ottimali. Una composizione standard conforme a standard come ASTM B928 / AMS 4345 è:

• Eccellente stampabilità: Il sistema eutettico Al-Si ha un intervallo di congelamento relativamente ampio, che riduce al minimo le sollecitazioni residue e la tendenza alla criccatura a caldo (criccatura di solidificazione) durante il processo LPBF. Questo lo rende una delle leghe di alluminio più tolleranti e affidabili da stampare.
• Buona resistenza e durezza: Nello stato "stampato", offre buone proprietà meccaniche. Tuttavia, il suo vero potenziale si sblocca attraverso il trattamento termico (vedi Sezione 5).
• Elevata conducibilità termica: Presenta una buona conducibilità termica, che lo rende adatto per applicazioni come scambiatori di calore, piastre di raffreddamento e involucri elettronici.
• Bassa densità (~2.67 g/cm³): Fornisce un elevato rapporto resistenza/peso, che è fondamentale per le applicazioni aerospaziali, automobilistiche e robotiche in cui il risparmio di peso è fondamentale.
• Buona resistenza alla corrosione: Offre una rispettabile resistenza alla corrosione atmosferica, simile ad altre leghe alluminio-silicio.

La qualità della polvere è importante quanto la sua composizione chimica. Le proprietà chiave della polvere includono:

• Distribuzione granulometrica (PSD): In genere varia da 15 a 63 micron per i sistemi LPBF standard. Alcuni sistemi possono utilizzare una distribuzione più ristretta (ad esempio, 20-45 µm) per una risoluzione dei dettagli più fine.
• Morfologia: Le particelle devono essere sferiche per garantire una buona scorrevolezza, essenziale per creare uno strato di letto di polvere uniforme e denso strato dopo strato. Le particelle non sferiche possono causare un cattivo rivestimento, con conseguenti difetti.
• Scorrevolezza: Misurata con Hall Flowmeter (ad esempio, < 35 s/50g). Una buona scorrevolezza garantisce un processo di stampa coerente e affidabile.
• Densità apparente/Densità di compattazione: Un'elevata densità (>50% del teorico) indica una buona efficienza di compattazione, con conseguente maggiore densità della parte finale.
• Basso contenuto di umidità e ossido: La polvere deve essere conservata e maneggiata in un'atmosfera secca e controllata (spesso in un ambiente di argon) per prevenire l'ossidazione e l'assorbimento di idrogeno, che possono causare porosità nelle parti stampate.

Le rapide velocità di raffreddamento (~10^5 - 10^6 K/s) in LPBF creano una microstruttura molto fine e non in equilibrio. È costituito da una matrice di alluminio sovrasatura (α-Al) con una rete cellulare/dendritica di silicio estremamente fine. Questa struttura fine contribuisce alla buona resistenza "stampata".

Il trattamento termico viene utilizzato per adattare le proprietà meccaniche per applicazioni specifiche.

• Alleviamento delle sollecitazioni (T1): Una ricottura a bassa temperatura (~300°C per 2 ore) per ridurre le sollecitazioni residue interne dal processo di costruzione senza alterare significativamente la microstruttura.
• Invecchiamento diretto (T5): La parte viene invecchiata artificialmente (ad esempio, 160-180°C per 4-12 ore) direttamente dopo la stampa. Questo precipita fini particelle di Mg₂Si all'interno della matrice, aumentando la resistenza e la durezza riducendo al minimo la distorsione.
• Trattamento termico di soluzione e invecchiamento (T6): Questo è il trattamento più comune per la massima resistenza. La parte viene solubilizzata ad alta temperatura (~520-540°C), temprata e quindi invecchiata. Questo processo rende più grossolana la rete di silicio (riducendo leggermente la duttilità) ma massimizza l'indurimento per precipitazione, producendo la massima resistenza alla trazione e durezza.

AlSi10Mg è versatile e utilizzato in numerosi settori:

• Aerospaziale: Componenti di staffa, parti di satelliti, telai di droni e componenti di cabina non strutturali.
• Automobilistico: Staffe leggere, componenti del motore (ad esempio, collettori di aspirazione), scambiatori di calore e raccordi idraulici personalizzati.
• Industriale: Effettori finali robotici, dime, dispositivi e componenti di automazione leggeri.
• Gestione termica: Dissipatori di calore, piastre fredde per l'elettronica e canali di raffreddamento per stampi (raffreddamento conforme).
• Prototipazione: Prototipi funzionali che richiedono proprietà simili al metallo per i test.

• Eccellente stampabilità e alti tassi di successo della costruzione.
• Buona resistenza specifica (rapporto resistenza/peso).
• Proprietà termiche favorevoli.
• Ampiamente disponibile e ben documentato.
• Conveniente rispetto ad altre leghe AM ad alte prestazioni (ad esempio, Scalmalloy®).

• Duttilità moderata: Soprattutto nella condizione T6, l'allungamento a rottura è inferiore rispetto ad alcune leghe di alluminio forgiate.
• Non per applicazioni ad alta temperatura: Le proprietà meccaniche si degradano significativamente al di sopra di ~200°C a causa dell'ingrossamento dei precipitati di irrobustimento.
• Proprietà anisotrope: Le proprietà meccaniche possono essere leggermente diverse nella direzione verticale (costruzione) rispetto alla direzione orizzontale a causa della natura a strati di AM.