Ludovico VecchioneAmministratore Unico

S4A – Scandium for Aerospace S.r.l.

L’impiego di terre rare nelle leghe di alluminio:

prospettive di impiego nel settore aerospaziale

VERSO HORIZON 2020: IL RUOLO DI NUOVI MATERIALI E DELLE TECNOLOGIE DI MANIFATTURA PER L’AEROSPAZIO.

Accademia Aeronautica, 17 ottobre 2012

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Lo Scandio (Sc) è il 21° elemento della tavola periodica, e appartiene al cosiddetto gruppo delle Terre Rare.

Le leghe di Alluminio (Al) arricchite con lo Scandio, presentano proprietà migliorate.

I principali effetti dell’arricchimento delle leghe di Al con SC possono esser riassunte in:

raffinamento del grano nei processi di fusione e saldatura;

inibizione della ri-cristallizzazione (l’aggiunta di Sc aumenta la temperatura di ri-cristallizzazione dell’Alluminio ad oltre 600°C);

effetti specifici di rafforzamento ottenuti anche con piccole aggiunte di Sc, dell’ordine di 0.2–0.6 wt.%;

riduzione ed eliminazione del fenomeno “hot cracking” nelle saldature;

buona resistenza alla corrosione.

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Proprietà delle leghe di Alluminio-Scandio

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Lo scenario: Aeronautica

L’industria aeronautica italiana, leader nello sviluppo del “Green Regional Aircraft” del programma Clean-Sky, è impegnata nella validazione di nuove tecnologie per il nuovo velivolo da trasporto regionale “eco-compatibile”.

Le leghe di Alluminio-Litio sono tra le tecnologie abilitanti selezionate per i pannelli di fusoliera con irrigidimenti saldati.

L’arricchimento di leghe di Alluminio della serie 5xxx o 7xxx con lo Scandio può portare ad un miglioramento delle prestazioni e ad una conseguente riduzione del peso, rispetto a quanto fino ad oggi con l’Alluminio-Litio.

Esempio di un tronco di fusoliera di un Velivolo regionale (courtesy by Alenia Aermacchi)

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L’uso di Scandio nell’Alluminio tradizionale aumenta la tenacità a frattura e la resistenza alla corrosione, proprietà fondamentali nelle strutture aerospaziali.

Leghe Al-Sc possono essere utilizzate nella realizzazione di serbatoi criogenici in alternativa all’uso di Al-Li o CFRP.

L’aumento della resistenza termica delle leghe arricchite con Scandio le rendono utilizzabili anche per parti di motori ad elevata temperatura operativa.

Courtesy by ARCAM

CFRP serbatoio criogenico

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Lo scenario: Spazio e Propulsione

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Confronto tra la resistenza allo snervamento di lega 7XXX convenzionale e arricchita con Scandio.

UTS (Ultimate Tensile Strength) di una lega serie 7000 è considerevolmente più alta quando viene usato un filler di Alluminio 5000 modificato con Scandio, rispetto a un filler tradizionale serie 5356. La differenza è tanto maggiore quanto il metallo base è arricchito con Scandio.

La vita a fatica di una lega ad alta resistenza della serie Alluminio-Magnesio-Zinco della serie triplica quando è saldata con una lega di alluminio 5000 modificata con un filler di Scandio.

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Proprietà delle leghe Alluminio Scandio

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Test sperimentali su leghe di Alluminio-Scandio

I miglioramenti delle proprietà meccaniche delle leghe Al-SC sono stati verificati attraverso una campagna di prove eseguite al CIRA, finalizzata alla valutazione delle principali proprietà di una lega di Alluminio serie 7XXX rinforzata con Scandio, e verificando l’effetto di un invecchiamento ambientale accelerato (esposizione termica a 85°C per 2000h).

Condizioni di Test per “rolled sheets” e “rolled plates”:

Tensione Statica: N° 5 L; N° 5 LT – (iaw ASTM E8);Tensione Statica (after 2000 h at 85°C): N° 3 HL; N° 3 HLT – (iaw ASTM E8);Fatica Kt =1:N° 10 L, N° 10 LT – (iaw ASTM E466 );Fatica Kt=1 (after 2000 h at 85°C): N° 10 HL, N°10 HLT – (iaw ASTM E466 ).

L => longitudinale “materiale come ricevuto” - LT => “materiale come ricevuto;HL => longitudinale “materiale invecchiato” - HLT => trasversale “materiale invecchiato”.

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 Test

specimen

Φ UTS YTS EL E

(mm) (MPa) (MPa) (%)(GPa)

L 6,00 613 552 16,8 70LT 6,00 587 538 16,4 71HL 6,00 613 541 11,7 45HLT 6,00 623 587 12,3 54

Risultati dei test di tensione statica di AA7X3X (Valori medi di UTS, YS, El, E)

Provini usati per i test di tensione statica

Nessuna variazione statisticamente significativa è stata rilevata tra i risultati della resistenza a trazione di AA7X3X “come ricevuto” and AA7X3X “invecchiato” per entrambe le misure di UTS e di resistenza allo snervamento.

Tensione statica

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Test sperimentali su leghe di Alluminio-Scandio

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Curve N-Log Wöhler

Provini usati per i test a fatica

Nessuna variazione statisticamente significativa è stata rilevata tra i risultati delle curve Wöhler di AA7X3X “come ricevuto” e AA7X3X “invecchiato”, indice di un buon comportamento a fatica.

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Test sperimentali su leghe di Alluminio-Scandio

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Sviluppo di componenti aerospaziali (inclusi prototipi), realizzati con leghe innovative arricchite con Scandio.

Promozione dell’utilizzo di leghe innovative a standard aerospaziali arricchite con Scandio.

Commercializzazione di leghe madri di Scandio per la produzione di componenti aerospaziali.

Consulenza manageriale e tecnologica, incluso specifiche lavorazioni meccaniche e processi realizzativi.

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Missione di S4A S.r.l.

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Attività in corso - RITAM

• Processi primari per la produzione di leghe, studio della solidificazione con focus sul fenomeno di raffinamento del grano e sul meccanismo di nucleazione.

• Tra i processi di produzione si valuterà l’Additive Layer Manufacturing (ALM) con fascio elettronico.

• Trattamenti e processi secondari, con set-up di processi di solubilizzazione, precipitazione e invecchiamento.

• Studio di correlazione tra i processi di produzione.

Processi Primari

Processi Secondari

Caratterizzazione • Qualifica del materiale attraverso analisi di test meccanici

RIcerca su Tecnologie Avanzate per Motori

Tecnologie di manifattura per materiali avanzati

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Hyprob - Additive Layer Manufacturing

Il processo di fusione può avvenire utilizzando diverse fonti di riscaldamento come Laser o Fascio di Elettroni (EB).

I vantaggi del processo di ALM:

L’ Additive Layer Manufacturing è un processo di produzione basato sulla fusione di strati successivi di materiale a partire da un letto di polveri opportunamente pre alligate.

Bassa percentuale di difetti. Omogeneità della microstruttura. Dimensioni molto piccole del grano che porta ad un

miglioramento delle proprietà di fatica del materiale Assenza di stress residui per l’elevata temperatura di

processo (700-1000°C). Elevato rapporto buy to fly (la polvere in eccesso può

essere rilavorata dato il basso assorbimento di

ossigeno). Producibilità di geometrie complesse.

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• Applicabilità a componenti aeronautici di leghe innovative Al-Li e Al-Sc con caratteristiche migliorate e risparmio di peso in confronto alle leghe tradizionali.

• Processi di saldatura e giunzione Qualifica del materiale attraverso la realizzazione di giunzioni saldate con processo laser e laser ibrido.

• Sviluppo materiali e processi eco-compatibili per la protezione della superficie di componenti aeronautici. Sviluppo di sistemi di protezione avanzati.

Sviluppo di TECnologie Innovative per MAteriali Metallici

Identificazione di leghe innovative di Alluminio

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Attività in corso - TECMA

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THE END

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Back-up slides

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Indice

Proprietà delle leghe di Alluminio-Scandio

Lo scenario: Aeronautica Spazio e Propulsione

Test sperimentali su leghe di Alluminio-Scandio Tensione statica Fatica

Missione di S4A S.r.l.

Attività in corso RITAM - Ricerca su tecnologie avanzate per motori

Additive Layer Manufacturing

TECMA - Sviluppo di tecnologie innovative per materiali metallici

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Attività in corso - RITAMRIcerca su Tecnologie Avanzate per Motori

Il progetto RITAM è stato ammesso al finanziamento dal MIUR con il bando finalizzato alla creazione di nuovi laboratori pubblico-privati in Campania, attraverso il coinvolgimento di imprese, università e centri di ricerca.

L’obiettivo del consorzio RITAM è quello di sviluppare e condividere nuove conoscenza nell’ambito dei processi tecnologici finalizzati al miglioramento delle prestazioni di motori e componenti strutturali in settori come aerospazio, navale, oil&gas, e focalizzando l’interesse sull’utilizzo di materiali e leghe avanzate.

Il progetto si sviluppa su quattro aree tecnologiche::

Materiali e processi per componenti realizzati in super-leghe Tecnologie di manifattura per materiali avanzati Sviluppo di un motore innovativo ecologico Integrazione di un sistema di controllo del motore per UAV

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Attività in corso - TECMA

Il progetto TECMA è stato ammesso al finanziamento dal MIUR con il bando finalizzato realizzazione del Distretto Aerospaziale Campano.

Gli obiettivi del progetto TECMA sono:

Sviluppo di TECnologie Innovative per MAteriali Metallici

Identificazione di leghe innovative di Alluminio con caratteristiche migliorate e

risparmio di peso in confronto alle leghe tradizionali.

Sviluppo di processo innovativi di giunzione.

Sviluppo di materiali e processi eco-compatibili per la protezione della superficie

di componenti aeronautici.