Leghe di Alluminio Ultraresistenti per la Produzione Additiva: Innovazione dalla Purdue University
Sviluppo e Validazione delle Nuove Leghe
Un gruppo di ingegneri dei materiali della Purdue University ha sviluppato un nuovo processo, attualmente in fase di brevettazione, per creare leghe di alluminio ad altissima resistenza e adatte alla produzione additiva. Questo processo innovativo permette di ottenere leghe caratterizzate da una notevole deformabilità plastica.
Haiyan Wang e Xinghang Zhang, che guidano il team di ricerca, hanno introdotto metalli di transizione come cobalto, ferro, nichel e titanio nell’alluminio. Questo è stato realizzato utilizzando intermetallici deformabili, laminati e su scala nanometrica. Wang è il Basil S. Turner Professor of Engineering e Zhang è professore alla Purdue’s School of Materials Engineering. Il team include anche Anyu Shang, studente laureato in ingegneria dei materiali.
Innovazione nelle Microstrutture delle Leghe
Zhang ha spiegato: “Il nostro lavoro dimostra che l’introduzione accurata di microstrutture eterogenee e intermetallici a media entropia su scala nanometrica offre una nuova soluzione per progettare leghe di alluminio ultraresistenti e deformabili tramite produzione additiva. Queste leghe superano i limiti delle leghe tradizionali che sono o ultra resistenti o altamente deformabili, ma non entrambe le cose.”
Protezione della Proprietà Intellettuale e Pubblicazione
Wang e Zhang hanno comunicato la loro innovazione all’Office of Technology Commercialization della Purdue Innovates, che ha presentato domanda di brevetto presso l’ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti. I dettagli della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista peer-reviewed Nature Communications, con il supporto della National Science Foundation e dell’US Office of Naval Research.
Sfide delle Leghe di Alluminio Tradizionali
Le leghe di alluminio leggere e ad alta resistenza sono ampiamente utilizzate in settori come l’aerospaziale e l’automobilistico. Tuttavia, come spiegato da Shang, “la maggior parte delle leghe di alluminio ad alta resistenza disponibili in commercio non è adatta alla produzione additiva perché è altamente suscettibile alla criccatura a caldo, un difetto che potrebbe compromettere l’integrità della lega.”
Un metodo comune per mitigare questo problema è l’introduzione di particelle rinforzanti nelle leghe di alluminio. Tuttavia, queste leghe raggiungono una resistenza massima tra 300 e 500 megapascal, significativamente inferiore alla resistenza degli acciai, che solitamente varia tra 600 e 1.000 megapascal.
Metodo Innovativo della Purdue University
I ricercatori della Purdue hanno creato leghe di alluminio per produzione additiva utilizzando metalli di transizione come cobalto, ferro, nichel e titanio. Tradizionalmente, questi metalli sono stati evitati nella produzione di leghe di alluminio perché sono noti per essere fragili a temperatura ambiente. Tuttavia, il nuovo metodo del team forma colonie di lamelle intermetalliche su scala nanometrica che si aggregano in rosette sottili, sopprimendo la natura fragile degli intermetallici.
Wang ha aggiunto: “Le microstrutture eterogenee contengono intermetallici duri su scala nanometrica e una matrice di alluminio a grana grossa, inducendo un significativo back stress che migliora la capacità di incrudimento dei materiali metallici. La produzione additiva tramite laser consente una rapida fusione e tempra, introducendo così intermetallici su scala nanometrica e i loro nanolaminati.”
Risultati dei Test
Il team ha condotto vari test di compressione sulle leghe create. Durante i test su scala macroscopica, le leghe hanno mostrato una combinazione di alta resistenza e deformabilità plastica, superando i 900 megapascal. Nei test su micropilastri, si è osservato un significativo back stress in tutte le regioni, con alcuni stress di flusso superiori a un gigapascal. Le analisi post-deformazione hanno rivelato la formazione di complesse strutture di dislocazione e difetti di impilamento negli intermetallici fragili di tipo Al9Co2 monoclino.
Questa innovazione promette applicazioni pratiche in settori come l’aerospaziale e l’automobilistico, offrendo leghe di alluminio che combinano elevata resistenza e deformabilità, risolvendo le limitazioni delle leghe tradizionali.
