I ricercatori dell’Università di Birmingham hanno scoperto un nuovo approccio ai materiali e ai processi che potrebbe contribuire a sviluppare materiali più resistenti e affidabili per due diverse tecnologie: i futuri reattori a fusione e i componenti aerospaziali di prossima generazione.
Gli scienziati dell’Università di Birmingham hanno scoperto un nuovo approccio ai materiali e ai processi che potrebbe contribuire a sviluppare materiali più resistenti e affidabili per i futuri reattori a fusione e i componenti aerospaziali di prossima generazione.
I ricercatori dell’University of Birmingham hanno identificato un meccanismo chiamato ricristallizzazione indotta da precipitazione (PIX), collaborando con partner dell’Autorità per l’Energia Atomica del Regno Unito (UKAEA), della TU Bergakademie Freiberg in Germania e della City University di Hong Kong. Questo processo consente ai metalli di auto-affinare la propria struttura interna attraverso il solo trattamento termico, senza la necessità di processi meccanici convenzionali.
La scoperta è descritta in due studi complementari pubblicati su Communications Materials e Scripta Materialia. Gli studi dimostrano il processo PIX sia in una lega di titanio-ferro-molibdeno, rilevante per le applicazioni aerospaziali, sia in una lega di tungsteno-cromo, rilevante per i sistemi di energia da fusione.
Il trattamento termico
I ricercatori dell’Università di Birmingham hanno scoperto che, in entrambi i materiali, durante il trattamento termico si formano minuscole regioni con strutture atomiche diverse ma simmetricamente correlate. La discrepanza che si sviluppa tra queste regioni genera una tensione interna sufficientemente forte da creare nuovi grani più piccoli all’interno del metallo, senza bisogno di laminazione, forgiatura o deformazione meccanica preliminare.
La responsabile del progetto, Sandy Knowles, professoressa di materiali nucleari presso l’Università di Birmingham, ha dichiarato: “La nostra scoperta mette in discussione la convinzione convenzionale che l’affinamento della grana richieda in genere un’estesa lavorazione termomeccanica. Dimostriamo che il meccanismo PIX può essere utilizzato per affinare la struttura della grana in diversi sistemi di materiali. Possiamo progettare leghe in cui la deformazione viene generata internamente durante il trattamento termico, aprendo interessanti possibilità per materiali difficili da lavorare con metodi convenzionali, inclusi metalli refrattari come il tungsteno e leghe avanzate per applicazioni aerospaziali, in particolare per la produzione a forma finale.”
La dimensione della grana gioca un ruolo fondamentale nelle prestazioni del materiale. Grani di grandi dimensioni possono fornire percorsi più facili per la propagazione delle cricche, mentre grani più piccoli creano più barriere che possono migliorare l’affidabilità meccanica e la resistenza ai danni.
Grani più piccoli per la fusione e l’industria aerospaziale
Il tungsteno è considerato uno dei principali materiali candidati per i futuri reattori a fusione grazie alla sua eccezionale resistenza al calore e al suo altissimo punto di fusione di 3.422 °C (6.192 °F). Tuttavia, può essere fragile e l’esposizione alle radiazioni può peggiorare questa caratteristica. Fragilità. Il PIX offre un metodo alternativo per migliorare la dimensione dei grani delle leghe a base di tungsteno in ambienti estremi. L’invecchiamento della lega tungsteno-cromo a 1.250 °C (2.282 °F) ha generato sufficienti tensioni interne per indurre la ricristallizzazione, riducendo la dimensione media dei grani di circa il 60%.
I ricercatori hanno anche dimostrato lo stesso principio di base in una “superlega bcc” di titanio-ferro-molibdeno, una classe di materiali in fase di studio per applicazioni aerospaziali ad alte prestazioni, come le pale dei compressori dei motori a reazione. L’invecchiamento della lega a 750 °C (1.382 °F) ha causato una riduzione della dimensione media dei grani di circa il 90%, aumentando al contempo la durezza di 60 HV.
Il PIX potrebbe rappresentare un principio di progettazione dei materiali più ampio, applicabile a diversi sistemi di leghe, offrendo ai ricercatori un nuovo modo per controllare la struttura dei grani e le proprietà dei materiali attraverso il solo trattamento termico. Potrebbe essere particolarmente utile per materiali fragili, difficili da modellare o prodotti con tecniche di fabbricazione additiva, dove i tradizionali processi di laminazione e deformazione potrebbero non essere adatti.
Foto: University of Birmingham
