Un approccio multimodale all'evoluzione della microstruttura e alla risposta meccanica della lega di Mg AZ31B depositata mediante agitazione additiva

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13234 (2022) Citare questo articolo

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Il lavoro attuale ha esplorato la produzione additiva allo stato solido della lega AZ31B-Mg utilizzando la deposizione additiva per attrito. I campioni con densità relative ≥ 99,4% sono stati prodotti in modo additivo. L'evoluzione spaziale e temporale della temperatura durante la deposizione additiva per attrito è stata prevista utilizzando un modello di processo computazionale multistrato. L'evoluzione microstrutturale nei campioni fabbricati in modo additivo è stata esaminata utilizzando la diffrazione di retrodiffusione di elettroni e la microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione. Le proprietà meccaniche dei campioni additivi sono state valutate mediante elastografia del modulo di massa efficace non distruttiva e prove di trazione uniassiali distruttive. I campioni prodotti in modo additivo hanno sperimentato un'evoluzione della struttura prevalentemente basale sulla superficie superiore e un aumento marginale della dimensione dei grani rispetto al mangime. La microscopia elettronica a trasmissione ha fatto luce sulla precipitazione su scala fine di Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) all'interno di campioni di materie prime e additivi. La frazione di Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) ridotta nei campioni prodotti in modo additivo rispetto alla materia prima. Il modulo dinamico di massa dei campioni di additivi era leggermente inferiore a quello della materia prima. Si è verificata una riduzione di \(\sim\,\) 30 MPa nello sforzo di prova dello 0,2% e una riduzione di 10–30 MPa nella resistenza alla trazione finale per i campioni prodotti in modo additivo rispetto alla materia prima. L'allungamento dei campioni di additivi era inferiore del 4–10% rispetto alla materia prima. Tale risposta proprietà per la lega AZ31B-Mg depositata mediante agitazione ad attrito additivo è stata realizzata attraverso un'evoluzione della microstruttura multiscala guidata dalla termocinetica distinta.

Le leghe di magnesio trovano applicazioni nell'industria automobilistica, aerospaziale e biomedica grazie all'elevata resistenza specifica derivante dalla bassa densità di questi materiali1,2,3,4,5. Le leghe di Mg hanno anche un'eccellente biocompatibilità6,7 e capacità di schermatura elettromagnetica8. Tuttavia, le leghe di Mg hanno la tendenza a ossidarsi durante la fusione e sviluppano una struttura resistente durante la deformazione, ponendo così limitazioni alla lavorazione delle leghe di Mg utilizzando metodi convenzionali come la fusione e la lavorazione a freddo4,9. Pertanto, i ricercatori hanno esplorato strategie per superare queste limitazioni utilizzando percorsi di produzione additiva (AM) come la produzione additiva con raggio laser (LBAM), la produzione additiva con arco a filo (WAAM) e la deposizione additiva per attrito (AFSD)10,11,12. Le tecniche LBAM e WAAM si basano sulla fusione del materiale di alimentazione che è sotto forma di polvere o filo. Entrambe le tecniche LBAM e WAAM dipendono dalla fusione e dal consolidamento del materiale precursore. D'altra parte, l'AFSD è un metodo a stato solido. Il materiale per mangimi utilizzato durante l'AFSD è sotto forma di bastoncini o trucioli disponibili in commercio che evitano l'uso di polvere13. Ciò è particolarmente importante per il Mg poiché la sua polvere è altamente piroforica14.

L'AFSD funziona secondo un principio simile all'elaborazione per attrito (FSP). Tuttavia, invece di uno strumento solido utilizzato per FSP, durante l'AFSD viene utilizzato uno strumento cavo non consumabile. Il materiale in entrata viene alimentato attraverso l'utensile rotante cavo che si deforma plasticamente a causa del calore da attrito generato tra l'utensile, il materiale in entrata e il substrato. Tale attrito provoca un ammorbidimento del materiale in entrata seguito dalla sua estrusione sotto l'utensile. L'utensile viene quindi traslato per la successiva deposizione di uno strato. L'AFSD si è evoluto di recente con lo sviluppo di macchine AM come MELD®. Ha la capacità di produrre componenti di grandi dimensioni completamente densi con geometrie complesse15,16. L’AM delle leghe convenzionali ferrose17 e non ferrose18,19,20 è stata esplorata tramite AFSD.

Fino ad oggi sono stati pubblicati pochissimi rapporti relativi all'AFSD delle leghe di Mg21,22,23. Il lavoro di Calvert ha dimostrato il successo della deposizione della lega WE43 Mg tramite ASFD, ma non è riuscito a spiegare l'evoluzione delle microstrutture in correlazione agli attributi del processo21. Robinson et. al. hanno dimostrato l'AFSD di AZ31B-Mg ed esaminato l'evoluzione delle proprietà microstrutturali e meccaniche22. I risultati del test di trazione hanno mostrato che c'era un calo del \(\sim\) 20% nel carico di prova dello 0,2% (0,2% PS) e un identico carico di rottura (UTS) per il materiale AZ31B-Mg lavorato con AFSD rispetto al materiale AZ31B-Mg lavorato . Questo lavoro ha fornito una spiegazione e una motivazione limitata alla base di tale abbassamento delle proprietà meccaniche. In un altro sforzo, Williams et. al. lega WE43 Mg depositata tramite AFSD23. Sebbene questi autori abbiano riportato una riduzione di \(\sim\) 22 volte nella dimensione dei grani per il materiale fabbricato in AFSD rispetto alla materia prima, hanno comunque osservato una riduzione di \(\sim\) 80 MPa in 0,2% PS, \(\sim\) \) Riduzione di 100 MPa dell'UTS e riduzione dell'11% dell'allungamento rispetto al materiale in entrata. Sebbene questo lavoro abbia esaminato varie condizioni di lavorazione durante l'AFSD, mancava una spiegazione fisica sull'evoluzione delle proprietà strutturali nella lega AFSD WE43 Mg.