Polvere di lega di alluminio Al6061 di alta qualità per la produzione additiva

L'Al6061 è una delle leghe di alluminio forgiato più versatili e ampiamente utilizzate nella produzione tradizionale (ad esempio, estrusione, forgiatura, lavorazione CNC). Tuttavia, il suo utilizzo nella produzione additiva a base di polvere (AM), in particolare la Laser Powder Bed Fusion (LPBF), è significativamente più impegnativo e meno comune rispetto alle leghe di colata come AlSi10Mg o AlSi7Mg.

La polvere di Al6061 "High-Quality" è progettata per superare queste sfide, con l'obiettivo di replicare l'eccellente combinazione di resistenza, saldabilità e resistenza alla corrosione che rende la forma forgiata così popolare. La stampa con successo con Al6061 richiede un controllo preciso delle caratteristiche della polvere e parametri di stampa avanzati.

La composizione è fondamentale per le sue proprietà e si allinea agli standard come ASTM B928 o AMS 4417.

• Eccellente rapporto resistenza-peso: Un segno distintivo della serie 6xxx.
• Buona resistenza alla corrosione: In particolare contro le condizioni atmosferiche, migliore di molte leghe della serie 2xxx o 7xxx.
• Elevata tenacità e duttilità: Nel suo stato completamente trattato termicamente, offre un buon allungamento, rendendolo adatto per applicazioni strutturali.
• Eccellente saldabilità: Nella sua forma forgiata, è altamente saldabile. Ciò si traduce in un buon potenziale per la riparazione o la produzione ibrida con AM.
• Sfida della criccatura a caldo: Questo è l' ostacolo principale in LPBF. L'intervallo di solidificazione di Al6061 è ampio, rendendolo altamente suscettibile alla criccatura da solidificazione (strappo a caldo) durante il rapido raffreddamento del bagno di fusione.

Affinché l'Al6061 abbia qualche possibilità di stampa di successo, la qualità della polvere è fondamentale:

• Distribuzione granulometrica (PSD): Strettamente controllata, tipicamente 15 - 45 µm o 20 - 63 µm. Una distribuzione stretta migliora la scorrevolezza e la densità di compattazione.
• Morfologia: Sfericità quasi perfetta non è negoziabile. Eventuali particelle satellitari o irregolarità ostacoleranno gravemente il flusso e causeranno difetti.
• Scorrevolezza: Deve essere eccellente (ad esempio, Hall Flow < 30 s/50g). Un flusso scarso si tradurrà in strati irregolari e alta porosità.
• Basso contenuto di umidità e ossidi: Questo è fondamentale. La polvere deve essere prodotta, conservata e maneggiata in un'atmosfera inerte (Argon) per ridurre al minimo gli ossidi superficiali, che possono aggravare la criccatura e creare inclusioni.
• Purezza chimica: La polvere di alta qualità avrà un controllo rigoroso sugli elementi in traccia che possono peggiorare la criccatura a caldo.

Il problema fondamentale: A differenza dell'AlSi10Mg quasi eutettico, l'Al6061 si solidifica su un ampio intervallo di temperature. Ciò porta alla formazione di una lunga e vulnerabile zona fangosa in cui i film liquidi tra i dendriti vengono strappati dalle sollecitazioni termiche, causando cricche di solidificazione che rendono un pezzo inutile.

Strategie per una stampa di successo:

• Ottimizzazione dei parametri di processo: Utilizzo di laser ad alta potenza e strategie di scansione specifiche per creare un bagno di fusione stabile e gestire i gradienti termici.
• Inseminazione con nanoparticelle (un approccio avanzato): I metodi di ricerca e industriali di maggior successo prevedono il drogaggio della polvere di Al6061 con nanoparticelle appositamente progettate (ad esempio, zirconio (Zr), scandio (Sc) o carburo di titanio (TiC)). Queste particelle agiscono come siti di nucleazione per grani fini ed equiaxiali, "riparando" efficacemente i bordi dei grani vulnerabili e impedendo la propagazione delle cricche. Questo crea una nuova classe di materiali spesso chiamati leghe della serie 6xxx "senza cricche" (ad esempio, varianti come A6061-RAM o Scalmalloy® per la serie 7xxx).

L'Al6061 risponde bene al trattamento termico T6 standard, che è essenziale per raggiungere il suo pieno potenziale meccanico.

• Trattamento termico di soluzione: ~530°C per un tempo sufficiente a dissolvere gli elementi di lega nella matrice.
• Tempra: Raffreddamento rapido, tipicamente in acqua.
• Invecchiamento artificiale: ~160-175°C per 8-18 ore per precipitare fini particelle di Mg₂Si, aumentando significativamente la resistenza.

A causa delle sfide, le applicazioni per Al6061 prodotto con LPBF sono più di nicchia, ma mirano a componenti che tradizionalmente utilizzano 6061 forgiato:

• Prototipi e utensili aerospaziali: Dima, dispositivi e prototipi funzionali che devono corrispondere alle proprietà delle parti forgiate finali.
• Automotive: Staffe personalizzate e componenti strutturali leggeri in cui la duttilità è apprezzata.
• Produzione ibrida: Utilizzato nei processi di Directed Energy Deposition (DED) per riparare o aggiungere funzionalità ai componenti 6061 esistenti.

Vantaggi (se stampato e trattato con successo):

• Familiarità: Proprietà dei materiali ben comprese per gli ingegneri.
• Eccellente combinazione di proprietà: Buona resistenza, elevata duttilità ed elevata resistenza alla corrosione.
• Saldabilità: Adatto per la post-elaborazione e l'integrazione con altri componenti.

Limitazioni:

• Estremamente difficile da elaborare con LPBF: L'elevata suscettibilità alla criccatura a caldo lo rende inaffidabile per geometrie complesse senza set di parametri avanzati o modifiche dei materiali.
• Densità inferiore come stampato: È molto difficile raggiungere la densità >99,5% tipica di AlSi10Mg.
• Richiede competenze specialistiche: Non è un materiale "plug-and-play"; richiede importanti attività di ricerca e sviluppo e ottimizzazione del processo.
• Costo: La polvere di alta qualità e la necessità di un ampio sviluppo dei parametri aumentano il costo complessivo.