RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

EKLAST - Enhancing the Knowledge of LAser Surface Treatments

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "Tor Vergata" - INGEGNERIA MECCANICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Vincenzo Tagliaferri

Descrizione

L'unità di ricerca di Roma 'Tor Vergata' svilupperà e tecniche di deposizione a freddo per il rivestimento di substrati standard con rivestimenti ceramici o ibridi ceramico-metallici su substrati in acciaio ad alta resistenza e tecniche di trattamento laser dei film depositati al fine di migliorarne le proprietà meccaniche. Tale trattamento dovrebbe permettere la trasformazione strutturale del deposito ed il conseguimento di rivestimenti con maggiore densità e più compatti e, come tali, con caratteristiche meccaniche migliori e prossime a quelle dei rivestimenti ottenuti mediante le più note tecniche di termospruzzatura.
Nello specifico, gli obiettivi che l’Unità di Ricerca dell’Università degli Studi di Roma ‘Tor Vergata’ intende perseguire con le attività del presente programma di ricerca sono le seguenti:
• Lo studio modellistico e sperimentale delle condizioni di deposizione per cold spray: impiegando tecniche di pianificazione degli esperimenti (DOE) si cercherà di identificare i migliori settaggi operativi per il processo di applicazione a freddo impiegando il minor numero di trial. In particolar modo, si cercherà di ottimizzare i parametri di pressione di applicazione (quindi, velocità di impatto), tipologia di abrasivi in termini di composizione, struttura, fattore di forma, distribuzione granulometrica e locazione (angolo di impatto) e caratteristiche fisiche, chimiche e meccaniche del substrato da rivestire. Particolare risalto verrà dato all’identificazione dei tempi ottimali di deposizione, nonché ad aspetti relativi il riciclaggio ed il reintegro degli abrasivi dopo l’effettuazione dei cicli di lavoro. Su tale base sperimentale, si individueranno modelli comprensivi in grado di descrivere le cinetiche di accrescimento del film nelle differenti condizioni operative al variare delle caratteristiche del substrato da rivestire e delle polveri da depositare.
• Lo studio modellistico e sperimentale delle condizioni di interazione laser-deposito: impiegando tecniche di pianificazione degli esperimenti (DOE) si intendono acquisire quelle informazioni necessarie per la definizione di modelli di interazione tra il fascio laser ed i rivestimenti applicati per cold spray. In particolare, su tale base sperimentale si costruirà un primo modello agli elementi finiti del tipo termo-strutturale al fine di individuare le transizioni dei film applicati per cold spray al variare della temperatura di processo indotta dal passaggio del fascio laser. Tale modello sarà in particolar modo finalizzati ad individuare gli stati tensionali in gioco. Inoltre, tale modello sarà base utile per l’identificazione dei migliori settaggi del processo di trattamento laser (potenza in gioco, tempi di interazione, condizioni di focalizzazione, …) al variare della sorgente e al variare delle caratteristiche geometriche e morfologiche dei film applicati.
• L’integrazione dei modelli di deposizione a freddo con i modelli di trattamento laser per la definizione degli intervalli di lavorazione ottimali: impiegando tecniche di pianificazione degli esperimenti (DOE) si intendono acquisire quelle informazioni sperimentali necessarie per la realizzazione di modelli più complessi che integrano e gli aspetti inerenti le caratteristiche del processo di deposizione per cold spray e le caratteristiche del processo di trattamento laser dei film così applicati. Tali modelli costituiranno la base per la definizione di moduli per il controllo dell’intero processo di deposizione e di trattamento superficiale.
• Lo studio di rivestimenti ibridi ceramico-metallici depositati a freddo ottimizzati per il successivo trattamento laser: con tale attività, l’Unità di Ricerca di Roma ‘Tor Vergata’ intenderà caratterizzare i rivestimenti ottenuti per cold spray nelle differenti condizioni di processo e, soprattutto, caratterizzarli nuovamente dopo il processo di trattamento laser degli stessi al fine di valutarne gli incrementi prestazionali. Si intende svolgere caratterizzazioni molteplici finalizzate a valutare le caratteristiche morfologiche dei film (analisi con microscopia a scansione elettronica ad emissione di campo e con tecniche di profilometria a contatto di tipo induttivo e senza contatto del tipo con lente confocale ad aberrazione cromatica), le proprietà termiche (valutazione degli spessori in gioco e di eventuali difetti mediante analisi di tipo foto-termico e foto-acustico), le proprietà chimiche e composizionali (analisi locali mediante microanalisi ai raggi X e globali mediante diffrattometria ai raggi X) e le proprietà meccaniche (analisi del modulo mediante test di microindentazione, analisi del carico di snervamento mediante test di penetrazione a punta piatta, analisi di adesione mediante scratch test strumentato ed analisi di resistenza all’usura mediante test tribologici di tipo ‘sliding’ o del tipo ‘pin-on-disk’).
• La scelta della tipologia di sorgente laser e delle condizioni di processo più promettenti: le caratteristiche proprietà dei film nelle varie condizioni di applicazione del film per cold spray e di trattamento laser costituiranno il feedback necessario per fornire gli elementi per ritarare e il processo di applicazione a freddo e il processo di trattamento termico dei film una volta applicati. Si svilupperà una sorta di loop sperimentale-modellistico con lo scopo di ottenere tutte le informazioni ritenute necessarie per ottimizzare le scelte operative di entrambe le fasi del processo di applicazione e trattamento termico con sorgente laser con l’obiettivo finale di massimizzare le prestazioni del sistema substrato-rivestimento.
• La caratterizzazione delle proprietà dei depositi ai fini della individuazione delle condizioni di processo laser più promettenti al fine di migliorare le caratteristiche meccaniche dei rivestimenti nonché la loro uniformità in superficie e lungo lo spessore: ulteriore sviluppo riguarderà la definizione di quelle condizioni di processo necessarie per massimizzare le proprietà di compattezza, densità ed uniformità del rivestimento nelle differenti zone di applicazione al fine di assicurare la costanza dimensionale e delle proprietà su tutta la superficie del substrato rivestito.
• L’applicazione del sistema ‘cold spray’-trattamento laser per il rivestimento di alcuni componenti con geometria semplice ma con elevate prestazioni termiche e meccaniche: l’ultima attività riguarderà pertanto la realizzazione di target rivestiti e il loro testing in condizioni operative prossime alle reali condizioni di funzionamento, costituendo un valido banco di prova per la tecnologia messa a punto.

Alla fine dello svolgimento della succitate attività di ricerca si verificherà che:
1) siano state individuate le finestre ottimali di processo per la tecnica di applicazione 'cold spray' e per i trattamenti laser dei film applicati
2) siano stati sviluppati modelli comprensivi e della fase di applicazione cold spray e del processo di trattamento laser nelle diverse condizioni di processo (per tipologia di substrato e materiale da applicare)
3) siano stati caratterizzati i rivestimenti applicati per cold spray e quelli trattati mediante sorgente laser
4) siano stati prodotti e testati target di prodotto in condizioni di funzionamento prossime alle loro condizioni reali di utilizzo