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Wednesday, 17 Ottobre 2018
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Multi-Layer Laser Cladding per la realizzazione di rivestimenti in composito WC/Co/Cr per l’industria petrolifera

In questo articolo sono presentati i lavori e i conseguenti risultati dell’attività condotta da ELFIM s.r.l. e da un gruppo di ricercatori di “Tecnologie e Sistemi di Lavorazione” del Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Politecnico di Bari, con l’obiettivo di realizzare rivestimenti in composito Carburo di Tungsteno/Cobalto/Cromo (WC/Co/Cr) sulla girante di una pompa per l’industria petrolifera. Il carburo di tungsteno è un materiale ideale per la resistenza all’usura e alla corrosione, ma difficilmente depositabile. È stato, quindi, progettato e realizzato un rivestimento di tipo FGM (Functionally Graded Material), utilizzando strati costituiti da percentuali variabili di una lega a base di Nichel e del composito WC/Co/Cr.
In questo modo, è stato possibile ottenere uno strato superficiale del rivestimento caratterizzato da un elevato tenore di WC e notevole durezza.

di S. L. Campanelli, A. Angelastro, A. D. Ludovico e S. Ferrara e M. D’Alonzo

Febbraio-Marzo 2013

ELFIM s.r.l. è un’azienda con una consolidata esperienza nel settore meccanico-metallurgico che, grazie alla sua storia ventennale e ai continui investimenti in ricerca, sviluppo e impiantistica, è in grado di utilizzare le tecnologie laser più innovative per la produzione di strutture e semilavorati metallici. Già da qualche anno il processo di Laser Cladding (LC) è oggetto di progetti e collaborazioni di ricerca, sviluppati con il gruppo di “Tecnologie e Sistemi di Lavorazione” del Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management del Politecnico di Bari [1, 2].
La tecnica di Laser Cladding rientra tra le tecnologie di Laser Surface Treatments, ed è in grado di processare una vasta gamma di leghe e compositi con specifiche proprietà. Negli ultimi anni, il Laser Cladding ha visto un crescente interesse grazie alla sua capacità di introdurre particelle dure (SiC, TiC and WC) come rinforzo in matrici metalliche, quali, per esempio, leghe a base Nichel, leghe a base Cobalto e a base Ferro, per produrre rivestimenti in composito metallo-ceramica che sono caratterizzati da elevata durezza e buona resistenza all’usura. In particolare, le leghe di Nichel hanno una combinazione unica di proprietà che le rendono adatte a un’ampia varietà di applicazioni. In particolare, esse, tra tutte, sono caratterizzate da un miglior comportamento a corrosione e da un’eccellente resistenza all’usura per adesione e per abrasione.
Dall’evoluzione del processo di Laser Cladding è nato il Multi-Layer Laser Cladding (MLLC), che, per mezzo della deposizione laser di più strati sovrapposti di materiale, è capace di generare non solo superfici, ma anche componenti tridimensionali, aventi, tra l’altro, proprietà microstrutturali, chimiche e meccaniche del tutto comparabili, e in molti casi superiori, a quelle ottenibili con le tecniche di produzione convenzionali.
Lo sviluppo della tecnologia MLLC è stato perseguito, contemporaneamente, da un notevole numero di ricercatori, per diversi anni, e, infine, ha dato alla luce, nel biennio 1995-96,  tre processi, molto simili tra loro, che sono riconosciuti, oramai a livello mondiale, sotto i nomi di Directed Light Fabrication (DLF), Light Engineered Net Shaping (LENS), e Direct Metal Deposition (DMD), messi a punto rispettivamente al Los Alamos National Laboratory di Los Alamos, New Mexico, USA, al Sandia National Laboratory di Albuquerque, New Mexico, USA e alla University of Michigan di Ann Arbor, Michigan, USA [3, 4].
Nel processo di Laser Cladding, il fascio laser, emesso dalla testa di deposizione, crea, per mezzo della sua energia termica, un bagno fuso le cui dimensioni, in pianta, possono variare da metà a cinque volte il diametro dello spot focale dello stesso, a seconda della potenza e della velocità di scansione adottate. Nel bagno fuso viene iniettato, in modo continuo, un flusso di polvere metallica che fonde completamente e poi solidifica rapidamente dopo il passaggio del laser, determinando così la formazione di un cordone di saldatura molto compatto e saldato al substrato. Come si può osservare in Figura 1a, la traiettoria seguita dal fascio determina la formazione di una serie di cordoni, depositati uno accanto all'altro con una certa percentuale di sovrapposizione (overlapping), finché l'intera sezione del primo layer viene completata. Dopo la deposizione del primo strato, la testa di deposizione, che include l'ugello che convoglia le polveri e le lenti di focalizzazione del fascio laser, si sposta nella direzione di costruzione e comincia la deposizione del secondo strato. Quindi, il processo si ripete, passata dopo passata, strato dopo strato, finché il pezzo non viene completato (Figura 1b).
Anche i rivestimenti realizzati per mezzo di tecniche basate sui processi di saldatura convenzionali godono di completa aderenza e sono privi di porosità, ma, a differenza di quelli realizzati con il Laser Cladding, risentono della presenza di ampie zone termicamente alterate e necessitano, quindi, di ulteriori trattamenti termici atti a eliminarle. Tali zone non scompaiono, naturalmente, con il Laser Cladding, ma le loro dimensioni risultano controllabili ed estremamente ridotte.
Questa tecnologia permette di realizzare rivestimenti e componenti pronti per l'uso, in un singolo step, senza la necessità di impiegare stampi, forme o utensili e utilizzando una grande varietà di metalli, compresi quelli molto difficili da lavorare con le tecniche convenzionali. A livello industriale, l’uso del MLLC sta avendo grande successo non solo nella generazione di rivestimenti, componenti, stampi e utensili, ma anche nella loro riparazione.
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Progettazione e realizzazione di un rivestimento di tipo FGM mediante MLLC
Il caso industriale presentato è nato dall’esigenza, da parte dell’azienda ELFIM s.r.l. di Gravina in Puglia (BA), di utilizzare il processo di MLLC per la realizzazione di un rivestimento con elevate caratteristiche meccaniche sulla girante di una pompa centrifuga (Figura 2), in acciaio inox, impiegata nell’industria petrolifera. Le elevate sollecitazioni meccaniche e l’ambiente altamente abrasivo e corrosivo, che rendono le condizioni di esercizio della suddetta girante particolarmente gravose, hanno indirizzato la scelta del materiale da depositare verso il Carburo di Tungsteno.
Con precisione, la polvere individuata è la Sintered T311 (WC/Co/Cr) della MBN Nanomaterialia S.p.A. Tale polvere è un composito contenente un’elevata percentuale di Carburo di Tungsteno (86 %wt) e caratterizzato dalla presenza di Cobalto (10 %wt) e Cromo (4 %wt) [5].
Per la realizzazione di depositi di buona qualità ci si aspetta, in genere, che il processo di Laser Cladding generi elevata efficienza di captazione delle polveri da parte del bagno di fusione, buona aderenza fra passate e fra strati, bassa percentuale di diluizione fra deposito e substrato, assenza di pori ed elevata durezza.
Per ottenere buoni livelli di aderenza e bassi valori di diluizione è necessario che i materiali che costituiscono il substrato metallico e gli strati depositati siano dotati di un certo grado di duttilità in quanto, entrambi, sono soggetti a ingenti tensioni di ritiro che si instaurano in fase di raffreddamento. A tali tensioni si aggiungono quelle dipendenti dal mettere a intimo contatto, a elevata temperatura, materiali che presentano inevitabili differenze nei valori delle proprietà fisiche, in particolare, dei coefficienti di dilatazione termica lineare.
Studi sperimentali, approntati in passato, al fine di analizzare il processo di deposizione laser diretta della polvere di Carburo di Tungsteno hanno evidenziato le notevoli difficoltà che si riscontrano nel processare questo tipo di polvere; il materiale depositato è dotato, infatti, di notevole durezza, ma di scarsa duttilità. Ciò ha comportato, in genere, la parziale o totale mancanza di adesione del deposito col substrato, inficiando, in modo definitivo, l’applicabilità dei parametri di processo utilizzati, per quanto essi siano stati ottimizzati al fine di ottenere alti valori di durezza e di densità.
Al fine di superare, nel caso proposto, tale inconveniente, si è pensato di depositare, fra il substrato di acciaio inox e il rivestimento in composito WC/Co/Cr, un numero adeguato di strati di materiale “cuscinetto”. A tale scopo è stata individuata la lega di nichel Colmonoy 227-F (B 0.80 %wt, C 0.03 %wt, Cr 0.30 %wt, Fe 0.04 %wt, Si 2.51 %wt, al. 1.97 %wt, Ni balance), prodotta dalla Wall Colmonoy [6]. La scelta della lega Colmonoy 227-F deriva dalla considerazione che i componenti rivestiti con questo materiale presentano ottime caratteristiche resistenziali agli agenti abrasivi e corrosivi (anche ad alte temperature) e un incremento notevole della vita utile. In particolare, questa lega di Nichel è utilizzata nella produzione di componenti per le trasmissioni sia nel settore aeronautico che automobilistico e nella realizzazione di stampi per la produzione di contenitori in vetro.
Date le elevate differenze fra i valori dei coefficienti di dilatazione termica lineare dei due materiali (ovvero il materiale da depositare e il substrato), si è pensato, inoltre, di realizzare, degli strati di materiali a composizione variabile e, in particolare, con un tenore di lega di Nichel decrescente e di Carburo di Tungsteno crescente. Si è ritenuto, infatti, che la graduale variazione della composizione dei materiali depositati avrebbe potuto generare le condizioni ottimali atte alla realizzazione degli strati finali di WC/Co/Cr, riducendo in questo modo le sollecitazioni termiche e residue che il rivestimento avrebbe dovuto sopportare e garantendone l’adesione con gli strati sottostanti. È stato progettato, in definitiva, un Functionally Graded Material (FGM), ovvero un materiale con caratteristiche meccaniche e fisiche variabili, da uno strato all’altro, al variare della composizione chimica. Partendo dal substrato in acciaio, quindi, si è pensato di realizzare strati differenti, le cui composizioni, in termini di percentuali in peso dell’una e dell’altra polvere apportata, sono mostrate in Figura 3.
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L’attrezzatura utilizzata
Per la realizzazione di tutte le prove necessarie per l’ottimizzazione e la realizzazione del rivestimento progettato, è stata impiegata la macchina CNC a 6 assi Trumpf LaserCell (TLC 1005) (Figura 4), in dotazione dell’azienda ELFIM s.r.l., equipaggiata con una sorgente laser CO2 da 3 kW e con un sistema di alimentazione della polvere. Il sistema di alimentazione della polvere è comandato mediante un PLC ed è provvisto di due contenitori di polvere (Figura 5a) da cui partono due linee di alimentazione, ciascuna dotata di un’unità di dosaggio, programmabili indipendentemente l’una dall’altra. In questo modo è possibile utilizzare contemporaneamente due polveri completamente differenti in modo da creare materiali aventi composizione variabile al variare delle portate imposte per ciascuna di esse. I due tipi di polvere, provenienti, mediante un gas di trasporto, dalle rispettive unità di dosaggio, vengono convogliati in due tubi distinti che confluiscono in un raccordo a Y dal quale si diparte un terzo tubo, collegato, all’altra estremità, con lo splitter, solidale alla testa laser. Lo splitter ha la funzione di omogeneizzare il flusso della massa di polvere e risulta necessario se si vogliono ottenere portate di polvere nel bagno fuso uniformi e costanti. Dopo essere stato omogeneizzato, il flusso di polvere è suddiviso in tre piccoli flussi di uguale entità i quali, attraverso tre ulteriori tubi, giungono, infine, all’ugello di adduzione della polvere (Figura 5b). L’ugello di rame, refrigerato, è dotato, quindi, di tre canali per l’adduzione delle polveri, disposti ad una distanza angolare di 120° l’uno dall’altro.
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Prove di deposizione preliminari e ipotesi utilizzate
La sperimentazione è stata eseguita in varie fasi. Nella prima fase sono state condotte delle prove di deposizione preliminari allo scopo di ridurre il numero di variabili in gioco nelle prove successive. È stato, quindi, progettato un piano sperimentale fattoriale ridotto in seguito al quale, seguendo lo schema rappresentato in Figura 6, sono stati realizzati nove provini costituiti, ognuno, dalla sovrapposizione successiva dei quattro materiali su una barra cilindrica di acciaio AISI 316L. Ogni provino è stato ottenuto variando tre parametri di processo fondamentali: potenza del laser (P), portata di polvere (PFR), velocità di traslazione (TS), ciascuno su tre livelli. Questa fase ha permesso l’individuazione dei valori ottimali di potenza laser e di portata delle singole miscele di polveri.
Nella seconda fase è stato sviluppato e applicato un modello matematico finalizzato alla ricerca dei valori ottimali di velocità di traslazione TS della testa laser e degli hatch spacing Sx, lungo l’asse delle X, e Sz, lungo l’asse delle Z [7-9].
I valori delle suddette grandezze sono stati determinati in funzione del rapporto RH/W, tra altezza H e larghezza W di ciascun cordone (Figura 7). Dalla letteratura è risultato che il valore di RH/W deve essere minore o uguale a un valore critico, pari a 1/3. Perciò, sono state effettuate prove fissando due valori di RH/W: 1/3 e 1/4. La terza fase è consistita nella realizzazione di rivestimenti di tipo FGM, secondo lo schema di Figura 3, con i diversi valori del rapporto RH/W (1/3 ed 1/4) e con i valori ottimizzati dei parametri di processo,  derivanti dalle analisi precedenti.
Infine, l’analisi metallografica, al microscopio ottico, delle sezioni dei depositi FGM ha permesso di individuare le microstrutture creatisi e l’eventuale presenza di pori, cricche, mancanze di adesione tra strati contigui e tra il primo strato e il substrato.
In Figura 8 sono mostrate le micrografie relative alla zona di interfaccia fra il substrato in acciaio inox ed il deposito di materiale Mat100-0 (100%wt Colmonoy 227-F), rispettivamente per RH/W pari ad 1/3 (Figura 8a) e 1/4 (Figura 8b).
La Figura 9 mostra la microstruttura del deposito in corrispondenza del Mat30-70 (30%wt Colmonoy 227-F e 70%wt WC/Co/Cr).
È evidente la presenza di una matrice di Nichel, Cobalto e Cromo in cui risultano uniformemente dispersi i grani di Carburo di Tungsteno.
La Figura 10 mostra la zona di interfaccia tra Mat30-70 e Mat0-100 (100%wt WC/Co/Cr) rilevata per un valore di RH/W =1/4. La presenza di cricche sull’ultimo strato ha evidenziato l’inadeguatezza dello strato Mat0-100 ed ha portato alla necessità di introdurre un’ulteriore gradualità nella composizione dei materiali costituenti il deposito FGM.
Realizzazione del rivestimento cilindrico ottimizzato di tipo FGM
Quindi, è stato progettato un nuovo rivestimento FGM, in cui in successione al Mat30-70 sono stati depositati altri due strati: il Mat20-80, realizzato con il 20 %wt di Colmonoy 227-F e l’80 %wt di WC/Co/Cr, ed il Mat10-90, con il 10 %wt di Colmonoy 227-F ed il 90 %wt di WC/Co/Cr. Tale rivestimento è stato realizzato su di una barra cilindrica di acciaio inox AISI 316L e diametro 85 mm, al fine di simulare la realizzazione del rivestimento, dello spessore richiesto di 10 mm, sulla girante della pompa centrifuga.
La Tabella 1 riassume i valori della potenza laser P, della portata della miscela di polvere PFR e della velocità di scansione TS utilizzati per ciascuno strato e la composizione degli strati nella loro sequenza di deposizione. Dopo il processo di deposizione laser, l’ultimo strato di materiale è stato interessato da un ulteriore passaggio del fascio laser (re-melting); ciò ha portato ad un miglioramento della qualità della superficie esterna del rivestimento. In Figura 11 è rappresentato il profilo di microdurezza Vickers misurato lungo una sezione trasversale del rivestimento. Si può notare come il valore di microdurezza vari al variare della miscela di polveri considerate, e in particolare, come esso cresca all’aumentare della percentuale di carburo di tungsteno, per raggiungere un valore massimo di circa 1485 HV sullo strato superficiale.
Come si può notare in Figura 12, il deposito di tipo FGM realizzato ha presentato geometria e forma regolari. Inoltre, l’aderenza degli strati contigui, pur se derivanti dalla deposizione laser di miscele di polveri molto differenti fra loro, è risultata buona. L’analisi della sezione del campione ha permesso di riscontrare l’elevata compattezza del rivestimento e l’assenza di porosità e cricche evidenti. Ciò ha confermato l’attendibilità del modello matematico utilizzato e la correttezza della modalità di scelta dei parametri di processo e geometrici. Gli sviluppi di questo studio sono orientati a un ulteriore affinamento del processo di Multi-Layer Laser Cladding con l’obiettivo di aumentare ancora la percentuale di WC sulla superficie del rivestimento, per consentire un incremento maggiore della resistenza all’usura della superficie di componenti meccanici soggetti a condizioni di esercizio particolarmente gravose.

Ultima modifica ilMercoledì, 09 Luglio 2014 15:44

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