La guida definitiva alle polveri metalliche a base di nichel: proprietà, produzione e applicazioni industriali

Caratteristiche principali e vantaggi delle polveri a base di nichel

Le polveri metalliche a base di nichel sono indispensabili nell'ingegneria moderna grazie alla loro eccezionale capacità di mantenere l'integrità strutturale in condizioni estreme. A differenza delle polveri di acciaio standard, le leghe a base di nichel offrono una combinazione unica di resistenza alle alte temperature, eccellente resistenza alla fatica termica e resistenza superiore all'ossidazione. Queste polveri sono spesso legate con elementi come cromo, molibdeno, tungsteno e alluminio per migliorare proprietà specifiche come la resistenza al creep o la protezione dalla corrosione localizzata. La loro natura versatile consente loro di funzionare in modo affidabile in ambienti in cui le temperature spesso superano i 600°C, rendendoli il materiale preferito per le applicazioni di "superleghe".

Una delle caratteristiche distintive di queste polveri è la loro struttura cristallina cubica a facce centrate (FCC), che rimane stabile dalle temperature criogeniche fino al punto di fusione. Questa stabilità impedisce trasformazioni di fase che potrebbero portare a fragilità o instabilità dimensionale durante il ciclo termico. Inoltre, l'elevata tolleranza del nichel per gli elementi leganti consente la creazione di microstrutture complesse, come la fase precipitata gamma-prime (γ'), che aumenta significativamente la resistenza meccanica impedendo il movimento di dislocazione all'interno della matrice metallica.

Gruppi di leghe a base di nichel comunemente usati

La selezione dell'a polvere metallica a base di nichel dipende fortemente dai fattori di stress ambientali previsti. Di seguito è riportato un confronto tra le famiglie di leghe più diffuse utilizzate nella metallurgia delle polveri e nella produzione additiva:

Inconel 718: lo standard del settore

L'Inconel 718 è forse la polvere di nichel più utilizzata. È una lega induribile per precipitazione contenente quantità significative di ferro, niobio e molibdeno. La sua popolarità deriva dall’eccellente saldabilità e dalla resistenza alle fessurazioni post-saldatura, che lo rendono ideale per Laser Powder Bed Fusion (LPBF) e altri processi di stampa 3D. Mantiene un'elevata resistenza fino a 700°C e si trova spesso nei dischi delle turbine e nei bulloni ad alta resistenza.

Serie Hastelloy per lavorazioni corrosive

Per l'industria della lavorazione chimica, le polveri Hastelloy forniscono una protezione senza pari contro i mezzi aggressivi. Queste polveri sono progettate per resistere alla vaiolatura, alla tensocorrosione e alle atmosfere ossidanti. Sono comunemente utilizzati per rivestire o produrre componenti per reattori, scambiatori di calore e valvole in cui gli acciai inossidabili standard fallirebbero rapidamente.

Metodi di produzione e qualità delle polveri

Le prestazioni di una polvere metallica a base di nichel sono dettate dalla sua morfologia, distribuzione granulometrica (PSD) e purezza chimica. Diverse tecniche di produzione producono polveri adatte a diverse applicazioni industriali:

• Atomizzazione del gas: questo è il metodo più comune per produrre polveri sferiche di alta qualità. La lega di nichel fusa viene disintegrata da gas inerte ad alta pressione (tipicamente argon o azoto). Ciò si traduce in particelle altamente sferiche con eccellente fluidità, essenziali per strati coerenti nella stampa 3D.
• Processo con elettrodo rotante al plasma (PREP): questo metodo produce polveri con il massimo livello di perfezione sferica e inclusioni ceramiche minime. È spesso riservato alle applicazioni aerospaziali critiche in cui la resistenza alla fatica è la preoccupazione principale.
• Atomizzazione dell'acqua: sebbene più economica, l'atomizzazione dell'acqua produce forme irregolari e acicolari. Queste polveri sono più adatte per la metallurgia tradizionale "pressa e sinterizzazione" dove è richiesta la resistenza al verde (la capacità della polvere di mantenere la sua forma prima della cottura).

Principali applicazioni industriali

L’adozione di polveri metalliche a base di nichel ha rivoluzionato diversi settori high-tech consentendo progetti più efficienti e una maggiore durata dei componenti. Il passaggio dalla lavorazione meccanica in massa alla produzione a base di polveri ha consentito la creazione di canali di raffreddamento interni e geometrie complesse che prima erano impossibili da produrre.

Aerospaziale e turbine a gas

Nel settore aerospaziale, le polveri di nichel vengono utilizzate per produrre pale, palette e camere di combustione. Questi componenti devono resistere alle forze centrifughe della rotazione ad alta velocità mentre vengono colpiti dal carburante in fiamme. L’uso delle polveri Inconel nella stampa 3D consente agli ingegneri di consolidare più parti in un’unica struttura leggera, riducendo il peso del motore e aumentando l’efficienza del carburante.

Estrazione di petrolio e gas

Gli ambienti di perforazione sottomarina sono incredibilmente difficili, comportano alta pressione ed esposizione a gas acido (H2S). Le polveri a base di nichel vengono utilizzate per rivestire (sovrapporre) componenti in acciaio più economici con uno strato protettivo di lega resistente alla corrosione. Questa tecnica di "rivestimento laser" prolunga la vita delle punte del trapano, degli alberi delle pompe e delle valvole, prevenendo guasti catastrofici nelle operazioni in acque profonde.

Energie mediche ed energie rinnovabili

Sebbene meno comuni del titanio negli impianti, alcune polveri di nichel-cromo vengono utilizzate in strumenti medici specializzati e protesi dentali a causa della loro resistenza all'usura. Nel settore delle energie rinnovabili, le polveri di nichel stanno trovando ruolo negli impianti di energia solare concentrata (CSP), dove servono in sistemi di trasferimento di calore che operano a temperature estremamente elevate per generare vapore per l’elettricità.