Gli ingegneri della Purdue University hanno sviluppato una lega di nanolaminato di cobalto e alluminio che risulta fino a 10 volte più resistente dell’acciaio strutturale senza diventare pericolosamente fragile.
I ricercatori della Purdue University hanno sviluppato un materiale che unisce resistenza e plasticità, unendo in una lega cobalto e alluminio (CoAl), che risulta eccezionalmente resistente ma in grado di subire deformazioni sostanziali a temperatura ambiente. Questo composto intermetallico ha potenziali applicazioni nelle turbine ad alte prestazioni e potrebbe indicare una strategia più ampia per rendere i compositi intermetallici notoriamente fragili più pratici per le tecnologie aerospaziali, energetiche e della difesa. La scoperta è stata riportata su Science Advances.
I compositi intermetallici contengono due o più elementi metallici disposti in una struttura cristallina altamente ordinata. Questo ordine atomico può conferire loro una notevole resistenza, elevate temperature di fusione e resistenza allo scorrimento viscoso (creep), ovvero la lenta deformazione che si verifica quando un materiale rimane sottoposto a stress per lunghi periodi. Queste qualità sono preziose nei motori a reazione, nelle turbine a gas, nei sistemi di accumulo di energia e nei componenti automobilistici, ma le stesse strutture ordinate che rendono gli intermetallici resistenti possono anche impedirne la facile deformazione. Invece di piegarsi sotto sforzo, molti si fratturano, soprattutto a temperatura ambiente.
Il CoAl illustra questo problema. Il composito è sufficientemente resistente da essere considerato per componenti di turbine esigenti, ma la sua fragilità ne rende difficile la lavorazione in forme complesse e ne limita la capacità di resistere a improvvise sollecitazioni meccaniche: “I composti intermetallici CoAl in massa sono composti ad alta resistenza. Tra le altre applicazioni, potrebbero essere potenzialmente utilizzati nei materiali di nuova generazione per le pale delle turbine dei motori aeronautici, ovvero i motori a turbina a gas che generano la spinta per la propulsione degli aeromobili. Le leghe CoAl ad alta resistenza e deformabili plasticamente potrebbero consentire a un motore o a un turbocompressore di ruotare più velocemente mantenendo una maggiore forza centrifuga, migliorandone le prestazioni” spiega Xinghang Zhang, autore dello studio e docente presso la Scuola di Ingegneria dei Materiali della Purdue University.
Un materiale più resistente dell’acciaio strutturale
I ricercatori della Purdue University hanno affrontato il problema introducendo deliberatamente delle imperfezioni nel materiale.
Il nanolaminato risultante ha raggiunto una resistenza allo snervamento di 6 GPa (gigapascal, un’unità di misura della sollecitazione), circa sei-dieci volte superiore a quella dell’acciaio strutturale ad alta resistenza. La resistenza allo snervamento misura la quantità di sollecitazione che un materiale può sopportare prima di iniziare a deformarsi permanentemente.
Nonostante questa estrema resistenza, il materiale ha resistito a una deformazione plastica del 15% sotto compressione a temperatura ambiente. In altre parole, è stato in grado di subire una significativa deformazione permanente senza fratturarsi immediatamente: “Questa combinazione di altissima resistenza meccanica e straordinaria plasticità rende l’attuale sistema di nanolaminati di CoAl uno dei migliori sistemi intermetallici finora riportati” afferma Xu.
Il team della Purdue University ha prodotto il materiale utilizzando la deposizione per sputtering magnetron. Durante questo processo, gli atomi vengono rilasciati da un materiale di partenza e depositati come un film sottile su un’altra superficie. A differenza della fusione convenzionale, che solidifica il metallo fuso, lo sputtering consente la formazione di un materiale direttamente dal vapore della lega. Questo percorso non convenzionale ha contribuito a intrappolare un gran numero di dislocazioni all’interno del CoAl, creando al contempo le interfacce amorfe alluminio-cobalto.
I ricercatori della Purdue University hanno compresso il materiale osservandolo al microscopio elettronico a scansione. Questa analisi in situ ha permesso loro di monitorare come la struttura microscopica si modificava durante la deformazione del CoAl.
Dai nanostrati ai componenti per turbine
Il materiale attualmente utilizzato è un sistema stratificato su scala nanometrica prodotto tramite deposizione di film sottili, non ancora un componente per turbine di grandi dimensioni. La prossima sfida per i ricercatori è quella di trasferire lo stesso concetto strutturale a nanocompositi di CoAl di dimensioni maggiori, che possano essere prodotti su scala industriale: “Testeremo il concetto anche con altri intermetallici, con l’obiettivo di stabilire l’applicabilità generale degli intermetallici duttili per migliorare la plasticità in questa classe di metalli” commenta Xu.
Se l’approccio si dimostrasse efficace anche con altri composti, potrebbe offrire agli ingegneri un nuovo modo di progettare materiali per ambienti in cui i metalli convenzionali presentano difficoltà. Invece di dover scegliere tra resistenza e deformabilità, i ricercatori potrebbero essere in grado di ottenere entrambe controllando la formazione dei difetti e la risposta dei confini interni alle forze: “Gli intermetallici duttili aumenteranno significativamente le nostre capacità di progettazione di materiali avanzati per applicazioni aerospaziali, spaziali, energetiche e di difesa” conclude Zhang.
Il finanziamento per questa ricerca è stato fornito principalmente dal programma Metals and Metallic Nanostructures della National Science Foundation.
