I motori a reazione non perdonano. Richiedono materiali che resistano al calore e alla forza senza piegarsi, rompersi, perdere forma o deformarsi lentamente sotto stress.
Il problema? I candidati più forti sono spesso troppo fragili.
Gli ingegneri della Purdue University hanno appena sfidato questa regola. Hanno ridisegnato l’alluminio cobalto (CoAl) su scala nanometrica. Il risultato è un nanolaminato di alluminio e cobalto fino a 10 volte più resistente dell’acciaio strutturale ad alta resistenza.
E non si frantuma come il vetro.
Pubblicata su Science Advances, questa scoperta offre un nuovo percorso per rendere gli intermetallici notoriamente fragili utilizzabili nel settore aerospaziale e della difesa.
La natura fragile degli intermetallici
I composti intermetallici contengono due o più metalli disposti in un reticolo cristallino altamente ordinato. Quell’ordine crea forza. Crea inoltre punti di fusione elevati e resistenza al creep, la lenta deformazione sotto stress a lungo termine.
Queste caratteristiche sono perfette per motori a reazione, turbine a gas e sistemi energetici. Ma il problema è proprio la rigidità atomica.
La maggior parte degli intermetallici non possono piegarsi. Invece si fratturano. Ciò è particolarmente vero a temperatura ambiente.
“Tra le altre applicazioni, potrebbero essere potenzialmente applicate alle pale di turbina di prossima generazione per motori aeronautici… Le leghe ad alta resistenza e plasticamente deformabili potrebbero consentire a un motore di girare più velocemente sostenendo forze centrifughe più elevate.” — Xinghang Zhang
CoAl esemplifica questo dilemma. È abbastanza forte per componenti impegnativi. Ma la sua fragilità rende quasi impossibile la produzione di forme complesse e lo rende vulnerabile a improvvisi stress meccanici.
Difetti tecnici di scopo
Per correggere la fragilità, di solito si pensa a ridurre i difetti. Qui i ricercatori hanno fatto il contrario.
In un cristallo perfetto, gli atomi seguono uno schema geometrico rigoroso. Una lussazione, un’interruzione microscopica, è normalmente vista come un difetto. Ma nei metalli, le dislocazioni consentono agli atomi di scivolare uno accanto all’altro. Ciò consente al materiale di cambiare forma senza rompersi.
Il CoAl non ha dislocazioni mobili a temperatura ambiente. I precedenti tentativi di aumentarne la plasticità alterando la composizione o mescolando materiali non sono riusciti a fornire risultati significativi.
Il team Purdue ha preso una strada diversa.
Hanno costruito le dislocazioni direttamente nel materiale durante la formazione. Hanno anche creato una rete di “interfacce amorfe”. Questi sono confini sottili in cui agli atomi manca la disposizione ordinata tipica di un cristallo.
Perché le interfacce amorfe sono importanti
Questi confini flessibili fanno molto più che strati separati di CoAl.
Durante la deformazione, parti di queste interfacce amorfe cristallizzano parzialmente. Questo processo innesca la creazione di nuove dislocazioni. Tali dislocazioni offrono agli strati circostanti di CoAl più modi per assorbire l’impatto.
“Abbiamo progettato la struttura di interfacce amorfe… confini flessibili nei materiali per la flessibilità strutturale… che promuovono la nucleazione delle dislocazioni.” — Xinghang Zhang
Ke Xu, il primo autore dello studio, osserva che questo approccio offre un’alternativa per migliorare le capacità di deformazione plastica del CoAl. Le interfacce agiscono come fonti attive di plasticità. Aiutano il materiale a rispondere allo stress piuttosto che semplicemente a rompersi sotto di esso.
Resistenza allo snervamento rispetto all’acciaio strutturale
I numeri sono sconcertanti.
Il nanolaminato ha raggiunto un limite di snervamento di 6 GPa (gigapascal). Per metterlo in prospettiva, l’acciaio strutturale ad alta resistenza varia tipicamente tra 0,4 GPa e 0,5 GPa. Questa nuova lega è circa da 6 a 10 volte più resistente.
La resistenza allo snervamento misura la quantità di stress che un materiale può sopportare prima di deformarsi in modo permanente.
Eppure, nonostante questa resistenza estrema, il nanolaminato di CoAl ha sostenuto una deformazione plastica del 15% sotto compressione a temperatura ambiente. Può subire significative deformazioni permanenti. Non si frattura immediatamente.
“Questa combinazione di resistenza meccanica ultraelevata ed eccezionale plasticità rende l’attuale sistema CoAl Nanolaminato uno dei migliori sistemi intermetallici finora segnalati.” — Ke Xu
Creazione del materiale dal vapore
Come lo fai? La fusione tradizionale fonde il metallo e lo lascia solidificare. Non funzionerà qui.
Il team ha utilizzato la deposizione sputtering magnetron.
Gli atomi vengono rilasciati da un materiale sorgente come vapore. Si depositano come una pellicola sottile su un’altra superficie. Questo approccio di “non equilibrio” consente al materiale di formarsi direttamente dal vapore.
Questo metodo intrappola un gran numero di dislocazioni all’interno del CoAl. Crea anche quei confini amorfi critici di alluminio-cobalto. La fusione tradizionale non può raggiungere questa specifica combinazione di caratteristiche.
Osservazione della deformazione in tempo reale
La teoria è utile. La prova richiede l’osservazione.
I ricercatori hanno compresso il materiale all’interno di un microscopio elettronico a scansione. Questo test in situ ha permesso loro di osservare i cambiamenti microscopici man mano che il CoAl si deformava.
Le simulazioni hanno supportato le immagini. Anand Mathew, professore dell’Università di Houston, Yashashree Kulkarni, ha eseguito modelli di dinamica molecolare. I dati hanno mostrato che le interfacce amorfe cristallizzano sotto pressione. Ciò ha rilasciato dislocazioni negli strati di CoAl adiacenti.
Gli esperimenti hanno confermato ciò che suggerivano le simulazioni: queste interfacce aiutano attivamente la deformazione plastica. Rafforzano la capacità del materiale di gestire lo stress senza sacrificare la sua forza intrinseca.
Oltre la nanoscala
Attualmente, questo nanolaminato di CoAl è un sistema a film sottile. Non è ancora una pala di turbina sfusa.
Il prossimo passo è il ridimensionamento. I ricercatori mirano a trasferire questo concetto strutturale a nanocompositi di CoAl più grandi in grado di essere prodotti a livello industriale.
Hanno inoltre in programma di testare il concetto di “struttura di interfacce amorfe” su altri intermetallici. Se regge su diversi composti, fornisce una strategia generalizzabile per migliorare la plasticità in tutta questa classe di metalli.
“Gli intermetallici duttili aumentano significativamente le nostre capacità di progettazione di materiali avanzati per applicazioni aerospaziali, energetiche e di difesa.” — Xinghang Zhang
Invece di forzare una scelta tra resistenza e deformabilità, gli ingegneri potrebbero presto essere in grado di realizzarle entrambe. Controllando dove si formano i difetti e come reagiscono i confini, potremmo finalmente sbloccare i metalli che in precedenza erano ritenuti inutilizzabili.
Riferimento:
“Plasticità in fragili elementi intermetallici consentita dalla struttura di interfacce amorfe e dislocazioni preesistenti” di Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashase Kulkarni e Xinghng Zhang, 17 giugno 26, Science Advances.
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Finanziamento fornito dal programma Metals and Metallic Nanostructures della National Science Foundation.
