Nanocompositi CNT/Al6Mg stampati in 3D l’AFED porta gli Al-Mg non trattabili termicamente oltre i 300 MPa
Nel novembre 2025 un gruppo di ricercatori dello Shenyang National Laboratory for Materials Science e dell’Institute of Metal Research della Chinese Academy of Sciences, in collaborazione con l’University of Science and Technology of China, ha dimostrato che è possibile produrre nanocompositi a matrice di alluminio rinforzati con nanotubi di carbonio (CNT/Al6Mg) tramite una variante solid-state della manifattura additiva chiamata Additive Friction Extrusion Deposition (AFED). Il lavoro mostra che questi nanocompositi raggiungono una resistenza a snervamento di circa 303 MPa, con un incremento del 78% rispetto a un deposito AFED in lega 5083, senza ricorrere a trattamenti termici successivi.
Perché puntare su leghe Al–Mg “non trattabili termicamente”
Le leghe Al–Mg sono ampiamente utilizzate in aerospazio, navale e trasporti grazie al buon compromesso tra peso ridotto, resistenza meccanica e resistenza alla corrosione. A differenza delle classiche leghe “heat-treatable”, gli Al–Mg vengono tipicamente irrobustiti tramite soluzione solida, raffinamento del grano e incrudimento. Per parti complesse e di grandi dimensioni, i tradizionali cicli di solubilizzazione, tempra e invecchiamento sono difficili da applicare in modo uniforme e introducono rischi di distorsione e criccature. Le tecniche solid-state additive basate sull’attrito permettono di costruire componenti metallici senza fusione, limitando difetti da solidificazione, ma sulle leghe Al–Mg finora non erano riuscite a superare in modo netto il livello di resistenza delle leghe laminate o estruse.
Dal friction stir all’Additive Friction Extrusion Deposition (AFED)
Le tecnologie friction stir-based additive manufacturing prendono origine dalla saldatura e dalla lavorazione per attrito: un utensile in rotazione genera calore e severa deformazione plastica, ammorbidendo il materiale senza fonderlo e depositandolo strato su strato. In questo contesto l’AFED è una variante nella quale il feedstock solido viene plastificato all’interno di un mandrino rotante ed estruso attraverso una matrice direttamente sul substrato, combinando una forte pre-deformazione con l’estrusione. Rispetto ad altre soluzioni friction-based, AFED punta a ridurre le forze sul substrato, garantire alti tassi di deposito e migliorare l’uniformità del flusso di materiale grazie alla progettazione dei canali di estrusione.
Dalla polvere al pezzo: come sono stati prodotti i campioni CNT/Al6Mg
Per realizzare il feedstock dei nanocompositi CNT/Al6Mg i ricercatori hanno utilizzato una via di metallurgia delle polveri. Polveri Al–6%Mg sono state miscelate con 1% in peso di CNT multi-walled, macinate, compattate ed estruse a caldo in billette cilindriche. Queste billette, già contenenti CNT e ossidi dispersi, sono state impiegate come materiale di partenza per l’AFED. Nel caso del riferimento in lega 5083Al sono state invece usate billette omogenee senza nanotubi. Durante la deposizione, i campioni CNT/Al6Mg sono stati costruiti a 700 rpm, mentre la 5083Al è stata depositata a 300 rpm, confermando che la presenza di fasi dure richiede input di energia e shear più elevati per ottenere superfici dense e prive di difetti.
Controllo termico e qualità del deposito: dieci layer senza porosità
Il monitoraggio della temperatura negli strati inferiori ha evidenziato picchi di circa 503 °C per il deposito CNT/Al6Mg e 455 °C per il 5083Al, in linea con un processo solid-state che opera sotto la temperatura di fusione. Nonostante il maggiore input termico, i ricercatori hanno ottenuto dieci strati con spessore uniforme, senza cricche e con assenza di vuoti macroscopici. A 300 rpm la superficie del 5083Al risulta già liscia, mentre per il nanocomposito è stato necessario aumentare la velocità a 700 rpm per eliminare piccole cavità superficiali, segno che la reologia del materiale nanorinforzato è più complessa e richiede un’attenta ottimizzazione dei parametri AFED.
Proprietà meccaniche: 303 MPa di snervamento e durezza +43%
Le prove di microdurezza mostrano un valore medio di circa 129 HV per il nanocomposito CNT/Al6Mg contro i 90 HV del 5083Al depositato, con un incremento di circa il 43%. Le prove di trazione rivelano un comportamento quasi isotropo lungo le tre direzioni considerate. Il CNT/Al6Mg raggiunge una resistenza a snervamento di circa 303 MPa e una resistenza ultima di circa 418 MPa, mentre il 5083Al AFED si ferma a circa 170 MPa di snervamento e 314 MPa di resistenza ultima. Il nanocomposito non solo supera il materiale di riferimento, ma esce anche dai range tipici riportati per sistemi Al–Mg prodotti con altre tecniche friction stir-based.
Grani più fini e orientazione più casuale
L’analisi EBSD mostra che, rispetto al 5083Al AFED, il nanocomposito presenta grani più piccoli e allungati: il diametro medio si riduce da circa 3,8 µm a 1,3 µm. La frazione di bordi di grano ad alto angolo aumenta fino a oltre il 90%, contro circa l’80% del materiale di riferimento. La texture di taglio è più debole, indice di una distribuzione di orientazioni cristallografiche più casuale. Questa combinazione riduce l’anisotropia meccanica e supporta l’aumento di resistenza osservato.
CNT, ossidi e interfacce: il ruolo delle nanoparticelle
Microscopia elettronica e analisi spettroscopiche indicano che i CNT rimangono in gran parte integri durante il processo AFED, subendo solo una frammentazione moderata. Attorno ai nanotubi si formano nanoparticelle di MgO, MgAl₂O₄ e quantità più controllate di Al₄C₃. Queste particelle generano zone di aggregazione che funzionano come barriere alla diffusione e limitano la crescita di fasi fragili, stabilizzando l’interfaccia CNT/matrice. Dal punto di vista meccanico, tali zone pinzano i bordi di grano e ostacolano il moto delle dislocazioni, contribuendo sia al raffinamento dei grani sia all’incremento della resistenza.
I meccanismi di rinforzo dominanti
Attraverso un’analisi quantitativa dei meccanismi di rinforzo, i ricercatori mostrano che l’aumento di resistenza a snervamento del CNT/Al6Mg è dovuto principalmente al grain boundary strengthening e al meccanismo di Orowan. Il primo fornisce il contributo maggiore, grazie all’elevata densità di bordi di grano e alla dimensione ridotta dei grani; il secondo deriva dall’interazione fra dislocazioni e nanoparticelle disperse. La soluzione solida e l’incrudimento hanno ruoli secondari, mentre il trasferimento di carico dai CNT alla matrice risulta limitato, dato che i nanotubi tendono a concentrarsi in zone localizzate invece di formare una rete omogenea.
AFED nel panorama delle tecnologie solid-state per l’alluminio
Nel panorama delle tecnologie solid-state per l’alluminio, AFED si affianca a processi come AFSD e FSAM, che combinano la logica layer-by-layer con i principi della friction stir processing. Rispetto a molte di queste soluzioni, AFED offre la possibilità di ridurre il carico sul substrato trasferendo parte delle forze all’interno del sistema di estrusione, mantenendo al contempo tassi di deposito elevati. Studi dedicati alla progettazione degli utensili evidenziano come la geometria interna della matrice e dei canali di estrusione sia cruciale per controllare flusso di materiale, microstruttura finale e stabilità del processo.
Applicazioni potenziali e sviluppi futuri
Con una resistenza a snervamento intorno ai 303 MPa e una resistenza ultima di circa 418 MPa, i nanocompositi CNT/Al6Mg prodotti via AFED risultano interessanti per componenti strutturali leggeri che beneficiano dell’assenza di trattamenti termici intensivi, come telai e sottostrutture in ambito aerospaziale, veicoli elettrici e applicazioni navali. I prossimi passi riguardano l’ottimizzazione dei parametri di processo e della frazione di CNT per modulare il compromesso tra resistenza e duttilità, oltre all’esplorazione dell’integrazione di AFED con strategie di riciclo diretto di scarti in alluminio e con sistemi di monitoraggio in-process delle condizioni termomeccaniche.
