Cina: create nuove leghe di alluminio con microparticelle resistenti alle alte temperature

Un team di scienziati cinesi ha sviluppato una tecnica per rendere le leghe di alluminio molto più resistenti al calore, superando un ostacolo importante che ha limitato le applicazioni del metallo leggero, che è un componente cruciale in settori come quello aerospaziale e dei trasporti.

Le leghe di alluminio sono note per la loro bassa densità, l’elevata forza specifica e la resistenza alla corrosione. Ma finora la loro resistenza al calore è stata relativamente limitata: le leghe di alluminio tradizionali funzionano in genere a circa 350 gradi Celsius. A temperature superiori a 400 gradi Celsius, le proprietà meccaniche di questi materiali si deteriorano rapidamente, il che limita il loro utilizzo nella progettazione aerospaziale. Pesniamo, ad esempio, ai materiali che devono assorbire alte temperature legate all’attrito atmosferico per le alte velocità.

Aggiungendo nanoparticelle alle leghe di alluminio ordinarie, gli scienziati della scuola di scienza dei materiali e ingegneria dell’Università di Tianjin (TJU) hanno creato una lega di alluminio rafforzata che continua a funzionare bene anche a temperature molto più elevate.

“Questa nuova lega di alluminio ha una resistenza di oltre sei volte superiore a quella delle leghe di alluminio tradizionali a 500 gradi Celsius, superando in modo significativo i migliori livelli riportati a livello internazionale per i materiali a base di alluminio”, ha dichiarato la TJU in un comunicato ufficiale all’inizio di questo mese.

“Questo processo di produzione è semplice, economico e facile da scalare per la produzione industriale, il che lo rende molto prezioso per le applicazioni industriali”, ha detto il ricercatore principale He Chunnian nel comunicato.

“Il team sta collaborando con importanti leader industriali e istituti di ricerca per portare avanti lo sviluppo di leghe di alluminio resistenti al calore per i motori aerospaziali e i componenti aerospaziali critici, e si aspetta che il materiale veda presto un utilizzo industriale”.
La ricerca è stata pubblicata il 26 aprile sulla rivista peer-reviewed Nature Materials.

Dispersione uniforme particelle

Il miglioramento delle prestazioni della lega di alluminio è stato ottenuto incorporando particelle di ossido di dimensioni nanometriche altamente stabili. Oltre al loro basso costo, le particelle, che hanno un punto di fusione superiore a 1.000 gradi Celsius, offrono una forza eccezionale, conduttività termica, resistenza al calore, resistenza all’ossidazione e alla corrosione.

Il processo di incorporazione di particelle ceramiche nelle leghe per creare leghe rinforzate con dispersione di ossidi (ODS) si è dimostrato promettente. Nel 2022, la Nasa ha rivelato un metodo simile per produrre la Lega Nasa GRX-810 a base di nichel, che può resistere a 1.093 gradi Celsius.

Secondo il sito web della Nasa, il metodo ha migliorato in modo significativo la resistenza e la durata dei componenti e delle parti utilizzate nell’aviazione e nell’esplorazione spaziale, ottenendo prestazioni migliori e più durature.

Mentre le leghe ODS sono state sviluppate per i metalli riducibili come il ferro, il molibdeno, il nichel e il tungsteno attraverso metodi di lavorazione chimica, non ci sono leghe ODS disponibili in commercio per i metalli irriducibili come l’alluminio, il magnesio, il titanio e lo zirconio, a causa della loro elevata reattività chimica con l’ossigeno. A differenza dei metalli riducibili, i metalli irriducibili non possono essere estratti facilmente dal loro ossido.

Per risolvere il problema, He e il suo team hanno preparato particelle di ossido di magnesio da 5 nm e poi hanno utilizzato la metallurgia delle polveri – un processo di produzione di parti metalliche che compatta e sminuzza le polveri metalliche – per distribuire le particelle all’interno della matrice di alluminio, ottenendo una frazione volumetrica dell’8 percento.

“La nostra strategia ha permesso di ottenere leghe di alluminio ODS contenenti nanoparticelle [di ossido di magnesio] altamente dispersive di 5 nm attraverso la metallurgia delle polveri”, hanno detto i ricercatori. “Il materiale mostra proprietà davvero eccezionali”, ha dichiarato Alexis Deschamps, un rinomato esperto internazionale di materiali metallici dell’Università Grenoble Alpes in Francia, in una notizia pubblicata da Nature Materials.

“Questo sviluppo apre nuove possibilità per l’applicazione delle leghe di alluminio in ambienti ad alta temperatura, dove potrebbero competere con alcune leghe di titanio a un peso inferiore”.