Caratterizzazione sperimentale delle proprietà e del comportamento ad usura di rivestimenti in Leghe ad Elevata Entropia, prodotti tramite deposizione Cold Spray = Experimental characterization of properties and wear performances of High Entropy Alloy coatings deposited via Cold Spray process

Il presente lavoro di tesi è focalizzato sullo studio e sulla caratterizzazione, tramite attività di ricerca sperimentale, delle proprietà di rivestimenti realizzati in leghe metalliche ad elevata entropia (“HEAs – High Entropy Alloys”), una nuova classe di materiali, per la quale nel prossimo futuro è previsto un elevato interesse per applicazioni industriali in numerosi ambiti, tra cui l’industria meccanica, dei trasporti, biomedica, elettronica, nucleare. Tali materiali sono caratterizzati da proprietà uniche, in molti casi superiori a quelle delle leghe tradizionali, grazie alla loro peculiare caratteristica di essere leghe costituite da molteplici elementi principali. All’interno del presente lavoro di tesi sono stati studiati campioni di rivestimenti di leghe ad elevata entropia di composizione chimica differente, realizzati tramite deposizione su substrati di magnesio attraverso il processo di deposizione Cold Spray, impiegando varie temperature di processo. Le composizioni chimiche e le temperature di Cold Spray dei campioni oggetto di studio sono le seguenti: Al0.1CoCrCuFeNi, Al0.2CoCrCuFeNi, Al0.5CoCuCrFeNi e MnCoCuCrFeNi; 650 °C, 750 °C e 850 °C. La caratterizzazione iniziale dei campioni ha preso in considerazione la misurazione della rugosità superficiale, del profilo di durezza, del volume di rivestimento, l’osservazione delle superfici in condizione as-sprayed tramite microscopio ottico, digitale e a scansione elettronica e l'analisi chimica tramite EDS. L’obiettivo principale del presente elaborato è la caratterizzazione del comportamento ad usura dei suddetti rivestimenti. A tale fine sono state svolte prove tribologiche di tipo pin-on-disk, in cui i campioni di rivestimenti sono stati posti in contatto, con velocità di rotazione relativa costante, con dischi di acciaio 100Cr6 allo stato temprato. Per questo scopo, è stato progettato un supporto su misura per il montaggio dei campioni sullo strumento, in grado di alloggiarli e bloccarli durante la prova, poi realizzato e impiegato per i test sperimentali. Contestualmente alle prove tribologiche, è stato monitorato per ogni campione l’andamento della temperatura nel punto di contatto tramite termografia a infrarossi. In seguito, sono stati determinati i volumi di materiale del rivestimento usurati durante la prova tramite misurazioni effettuate attraverso metodi di profilometria ottica e sono stati calcolati i valori di tasso di usura, resistenza ad usura e coefficienti di usura secondo il modello di Archard. Questo ha permesso di identificare le composizioni chimiche delle leghe ad elevata entropia e le temperature del processo di Cold Spray che consentono di ottenere le migliori prestazioni di resistenza all’usura abrasiva. Inoltre, sono state indagate le relazioni tra tali parametri tribologici e le proprietà dei rivestimenti, quali rugosità e durezza. Sono state eseguite analisi statistiche della varianza (ANOVA) sui dati sperimentali al fine di determinare quali parametri tra la percentuale di alluminio presente nella composizione chimica delle leghe ad elevata entropia di composizione AlxCoCrCuFeNi e la temperatura del processo di deposizione Cold Spray abbiano un effetto significativo sulle proprietà del rivestimento in condizioni as-sprayed. Infine, sono state svolte prove di termografia attiva prima e dopo i test tribologici per ricercare una correlazione tra le proprietà termiche e i parametri di produzione dei rivestimenti, e per caratterizzare il processo di usura.