I ricercatori dell’Università di Toronto hanno scoperto una nuova serie di leghe metalliche in grado di mantenere la propria resistenza in condizioni estreme, utilizzando la progettazione di materiali basata sull’AI.
Un team di ricercatori della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Toronto ha scoperto una nuova serie di leghe metalliche in grado di mantenere la propria resistenza in condizioni estreme, usando la progettazione di materiali basata sull’intelligenza artificiale. I materiali sono particolarmente adatti alla stampa 3D di metalli e potrebbero portare alla realizzazione di componenti personalizzati e migliorati per il settore aerospaziale, la produzione di energia e altro ancora: “C’è un’enorme richiesta di materiali in grado di resistere a forti sbalzi di temperatura e pressione, come quelli che si trovano all’interno di un motore a reazione o nei generatori di vapore delle centrali nucleari: ovunque l’acciaio convenzionale non possa resistere” afferma Yu Zou, docente di Materiali e Produzione per Ambienti Estremi, che ha guidato il progetto e aggiunge: “Abbiamo anche bisogno di materiali che possano essere stampati strato per strato, consentendoci di realizzare componenti impossibili da creare con i processi di produzione tradizionali. Per esempio, per ottenere un materiale che sia al contempo leggero e resistente, è possibile variarne la composizione: una lega dura e resistente all’esterno e qualcosa di più morbido e leggero all’interno.”
Lo scienziato dell’Università di Toronto afferma che molte delle leghe metalliche ad alte prestazioni utilizzate oggi sono composte principalmente da un singolo componente, spesso nichel o cobalto, con piccole quantità di un massimo di dieci altri elementi. Esistono però molte altre formulazioni che non sono ancora state esplorate, soprattutto a causa di limiti fisici: identificare nuove leghe stampabili in 3D tra decine di migliaia di possibili combinazioni è un compito arduo, in particolare per le leghe complesse composte da tre o più elementi principali. Per questo, il team di Zou, in collaborazione con il professor Jason Hattrick-Simpers, sta sfruttando la potenza dell’intelligenza artificiale.
La tecnica dell’Università di Toronto, che viene chiamata apprendimento attivo, combina modellazione computerizzata, apprendimento automatico e produzione assistita da robot per creare un laboratorio autonomo, in grado di seguire piste promettenti con un intervento umano minimo: “Un problema che si incontra spesso quando si cerca di utilizzare l’IA per progettare materiali è che la maggior parte dei modelli di apprendimento automatico richiede una grande quantità di dati sulle proprietà dei materiali per poter apprendere.
Ma se si lavora in una parte dello spazio di progettazione che non è ancora stata esplorata, quei dati non esistono, quindi si procede un po’ alla cieca. Il modo in cui superiamo questa difficoltà è utilizzare modelli basati sui dati che, in sostanza, procedono per tentativi. Il nostro modello di apprendimento attivo seleziona strategicamente alcuni campioni da produrre e testare, e i dati di questi esperimenti vengono reimmessi nel modello per indicare la direzione da seguire. Questo velocizza notevolmente il processo” afferma Ajay Talbot, dottorando nel laboratorio di Zou e autore principale di un articolo pubblicato su npj Advanced Manufacturing che descrive il lavoro.
L’apprendimento attivo con le leghe a composizione complessa
Per dimostrare il valore di questo approccio, i ricercatori dell’Università di Toronto si sono concentrati su quelle che definiscono leghe a composizione complessa, contenenti quantità relativamente elevate di soli tre elementi: nichel, cobalto e cromo. In poche settimane di lavoro, il loro laboratorio di guida autonoma ha individuato sei nuove leghe con promettenti proprietà innovative: “Una delle proprietà che ci interessava era la resistenza alla perforazione a temperature fino a 600 gradi Celsius, le stesse che si trovano nella parte anteriore di un motore a reazione. “Lo standard del settore in questo campo è rappresentato dalle leghe a base di nichel come l’Inconel 625. Ma noi ne abbiamo trovata una composta per il 12% da nichel, per il 62% da cobalto e per il 26% da cromo, che si è dimostrata eccellente nel mantenere la durezza a temperature estremamente elevate. Pur essendo composta da soli tre elementi, la nostra lega ha superato l’Inconel 625 – una lega con oltre 10 elementi diversi – del 4,5% nei nostri test di laboratorio” afferma Talbot, docente dell’Università di Toronto.
Il team dell’Università di Toronto ha progettato un’altra lega per la parte posteriore dei motori a reazione, dove le temperature possono raggiungere livelli ancora più elevati, fino a 1000 gradi Celsius: “Uno dei fenomeni che si verificano in un ambiente del genere è la formazione di uno strato di ossido, il che significa essenzialmente che il materiale si sta bruciando” afferma Talbot.
I ricercatori affermano che il materiale composto per il 36% da nichel, per il 14% da cobalto e per il 50% da cromo che presenta un’eccellente resistenza all’ossidazione a queste alte temperature: supera persino l’Inconel 625 dell’85%, ma il loro obiettivo è raggiungere temperature ancora più elevate, fino a 1.200 gradi Celsius. Le nuove leghe descritte nell’articolo sono solo l’inizio: “Questo sistema nichel-cobalto-cromo è composto da soli tre elementi. Nel quadro generale, è un sistema relativamente semplice. Ma è ottimo per dimostrare che questa piattaforma di ricerca a ciclo chiuso funziona davvero. Il nostro prossimo obiettivo è aumentare ulteriormente la complessità per creare materiali ancora più innovativi, magari con dieci o dodici elementi diversi. Aggiungendo altri componenti, si possono ottenere diversi meccanismi di rinforzo, diversi tipi di proprietà utili. C’è molto altro là fuori che aspetta solo di essere scoperto” conclude lo scienziato.
Foto: Tyler Irving
