Riassunto analitico
Il seguente lavoro di tesi ha l’obiettivo di utilizzare polveri esauste, recuperate da un processo di Additive Manufacturing, come risorsa nella sintesi a combustione di compositi a matrice intermetallica. Lo scopo è quello di intraprendere un percorso di ricerca sostenibile, di innovazione nell’ambito della metallurgia avanzata. Le polveri utilizzate sono di Inconel 625, AlSi10Mg e Ti6Al4V e derivano dal riciclo di un processo di Selective Laser Melting. Poiché esse rappresentano una fonte di materiali ad elevata qualità, si è ritenuto fondamentale pensare ad un approccio innovativo di riutilizzo di questi rifiuti industriali. La scelta è ricaduta sulla sintesi di compositi a matrice intermetallica nel sistema Ti-Al-Ni, che rappresentano dei materiali facilmente sintetizzabili con ottime proprietà di conducibilità termica ed elettrica unite ad un’elevata durezza e resistenza all’usura. L’insieme delle proprietà termiche, meccaniche ed elettriche li rende ideali nelle applicazioni ad alte temperature e competitivi con le superleghe base Ni per via della significativa leggerezza. I settori d’impiego variano dal campo aerospaziale a quello dell’automotive e dell’aeronautica. Il percorso di tesi è partito dall’analisi granulometrica e dalla caratterizzazione chimico-fisica, mediante XRD e SEM-EDS, delle polveri di partenza. A seguito della determinazione della chimica e della morfologia, le polveri sono state miscelate e, successivamente, processate mediante pressatura uniassiale per l’ottenimento dei provini. I pressati sono stati trattati termicamente all’interno di un forno a temperatura moderata (700°C) dove hanno subito una sintesi a combustione: un processo reattivo, altamente esotermico ed autopropagante, mediante il quale dei reagenti metallici hanno interagito per formare un intermetallico. La scelta di utilizzare questo metodo di sintesi è dovuta ai risparmi energetici e, quindi, ai benefici economici ad esso associati. Dalla sintesi sono stati ottenuti dei campioni a matrice metallica ed intermetallica nel sistema Ti-Al-Ni. La caratterizzazione dei provini tramite microscopio elettronico a scansione (SEM) e diffrattometria ai raggi X (XRD) ha mostrato l’effettiva formazione di diversi intermetallici. Al fine di determinare ulteriormente le proprietà dei campioni, sono state condotte prove di microindentazione, che hanno rimarcato valori di durezza propri di un materiale a comportamento intermedio tra un metallo ed un ceramico. I risultati ottenuti, riguardanti l’effettiva formazione degli intermetallici e le interessanti proprietà corrispondenti, hanno evidenziato che la strada del riciclo di polveri esauste e della sintesi a combustione è decisamente promettente e sostenibile.
|
Abstract
Exhaust powders from additive manufacturing processes represent a source of high quality materials that is currently not fully exploited. The aim of this thesis work was to evaluate the possibility of recycling such powders as raw materials for the combustion synthesis of intermetallic compounds. In detail, powders of Inconel 625, AlSi10Mg and Ti6Al4V deriving from a Selective Laser Melting (SLM) process were used to synthesize intermetallics in the Ti-Al-Ni system. These materials are highly interesting as they possess excellent thermal and electrical conductivity as well as high hardness and wear resistance. This combination of thermal, electrical and mechanical properties in addition to being lightweight, render them highly competitive with Ni-based superalloys for high temperature applications in various sectors such as automotive and aeronautics. Combustion synthesis is an energy-efficient method to obtain intermetallic compounds as only moderate temperatures are needed to trigger the highly exothermic reactions between the starting materials that are rapidly transformed into the desired products. Combining this synthesis method with the use of exhaust powders as reagents thus has the potential to offer a sustainable route to obtain these important engineering materials. The recycled powders, obtained from a local SLM industry, were thoroughly characterized by laser diffraction, X-ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM) in conjunction with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). These analyses gave detailed information regarding the size distribution and morphology of the particles in addition to their microstructure in terms of phase composition and chemistry. Combustion synthesis of intermetallic compounds was achieved by a slight heat treatment of pressed compacts composed of recycled powders in various proportions. In detail, the recycled powders were carefully weighted and consequently mixed using a roller mixer. The powder mixtures were uniaxially pressed to obtain compacts that subsequently were inserted in an electrical furnace at moderate temperature (700 °C) to trigger the highly exothermic self-propagating reactions between the metallic reagents. The crystalline phase compositions were evaluated by XRD whereas SEM-EDS analyses gave valuable insight on the spatial distribution of the various phases as well as their chemical composition. Preliminary mechanical properties by microindentations tests showed hardness values in line with those expected from the synthesized intermetallic materials. The outcome of this thesis work highlights the potential of using exhaust powders from SLM processing as reagents in combustion synthesis of intermetallic compounds.
|
