La riduzione della durezza è principalmente causata dal rilascio termico dell'incrudimento. Sebbene la pressatura isostatica a caldo (HIP) sia essenziale per aumentare la densità, le alte temperature coinvolte innescano il recupero del materiale, la ricristallizzazione e la crescita dei grani. Questo processo rilassa efficacemente le tensioni compressive residue generate durante l'impatto ad alta velocità dello spray a freddo, riportando la lega Ni–20Cr a uno stato più morbido e duttile tipico del materiale di massa.
Concetto chiave: Il processo HIP presenta un compromesso fondamentale: si sacrifica la durezza "artificiale" ottenuta tramite impatto cinetico per ottenere integrità strutturale. Esponendo il rivestimento ad alte temperature (ad esempio, 900 °C), si elimina la porosità ma si ripristina inevitabilmente la microstruttura, cancellando l'incrudimento che ha fornito i valori iniziali di elevata durezza.
La Trasformazione Microstrutturale
Il Rilascio dell'Energia Cinetica
La deposizione a spruzzo a freddo si basa sull'impatto di particelle ad alta velocità per legare i materiali. Questa violenta collisione crea intense tensioni compressive residue e deforma gravemente le particelle. Questo "incrudimento" è ciò che conferisce allo strato di Ni–20Cr appena spruzzato la sua eccezionale durezza immediatamente dopo la deposizione.
Recupero Termico e Ricristallizzazione
Durante il HIP, il materiale è sottoposto a contemporanea alta pressione e alta temperatura. L'energia termica consente al reticolo cristallino deformato di rilassarsi. Ciò innesca il recupero e la ricristallizzazione, in cui nuovi grani privi di tensioni sostituiscono quelli deformati, eliminando l'effetto indurente del processo di spruzzo a freddo.
Crescita dei Grani
Man mano che il processo continua, i grani appena formati tendono ad ingrandirsi. La crescita dei grani contribuisce ulteriormente all'ammorbidimento del materiale, allontanando le proprietà meccaniche dalla natura dura e fragile del rivestimento verso lo stato più morbido ed equilibrato della lega di massa.
Comprendere i Compromessi
Densità vs. Durezza
Mentre la durezza diminuisce, la qualità strutturale del materiale migliora significativamente. Il HIP forza la chiusura di pori interni e microvuoti, riducendo la porosità apparente del Ni–20Cr da circa il 9,54% al 2,43%.
Duttilità vs. Fragilità
Il calo di durezza è direttamente collegato a un aumento della duttilità. Il rivestimento appena spruzzato è duro ma spesso fragile a causa della sua natura porosa e sollecitata. Lo strato trattato con HIP, avendo subito l'omogeneizzazione microstrutturale, diventa molto più uniforme e resistente alla frattura, rispecchiando le proprietà di una lega lavorata.
Fare la Scelta Giusta per il Tuo Obiettivo
Quando decidi se applicare il HIP a un'applicazione di spruzzo a freddo di Ni–20Cr, devi dare priorità ai tuoi requisiti meccanici.
- Se il tuo obiettivo principale è la Massima Durezza Superficiale: Evita il HIP ad alta temperatura, poiché la condizione appena spruzzata utilizza l'incrudimento per massimizzare la resistenza all'usura.
- Se il tuo obiettivo principale è l'Integrità Strutturale e la Vita a Fatica: Applica il HIP per chiudere i vuoti interni e omogeneizzare la microstruttura, accettando che il materiale si ammorbidirà ai livelli della lega di massa.
In definitiva, la perdita di durezza non è un difetto del processo, ma una conseguenza necessaria per ottenere un componente completamente denso e metallurgicamente stabile.
Tabella Riassuntiva:
| Caratteristica | Ni–20Cr Appena Spruzzato | Ni–20Cr Post-HIP |
|---|---|---|
| Durezza | Alta (Incrudita) | Inferiore (Rilasciata da Tensioni) |
| Porosità | Alta (~9,54%) | Bassa (~2,43%) |
| Microstruttura | Deformata/Sollecitata | Ricristallizzata/Omogeneizzata |
| Duttilità | Bassa (Fragile) | Alta (Simile a lavorata) |
| Vantaggio Chiave | Massima Durezza Superficiale | Integrità Strutturale e Vita a Fatica |
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Riferimenti
- Parminder Singh, Anand Krishnamurthy. Characterization and High-Temperature Oxidation Behavior of Ni–20Cr Deposits Fabricated by Cold Spray-Based Additive Manufacturing. DOI: 10.3390/coatings13050904
Questo articolo si basa anche su informazioni tecniche da Kintek Press Base di Conoscenza .
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