Perché l’alluminio “cede” quando sale la temperatura
L’alluminio è centrale per il lightweighting, ma molte leghe perdono rapidamente resistenza a caldo: è un limite serio per componenti vicini a fonti di calore o soggetti a carichi prolungati (compressori, turbomacchine, parti di motori e powertrain). Nel caso della produzione additiva metallica, inoltre, non basta avere buone proprietà finali: la lega deve anche essere “processabile”, cioè stampabile con alta densità e senza cricche o deformazioni.
L’idea di Nagoya University: sfruttare la solidificazione ultrarapida della LPBF
Il gruppo della Nagoya University (Università di Nagoya) parte da un punto chiave della Laser Powder Bed Fusion (LPBF / PBF-LB): le velocità di raffreddamento e solidificazione sono così elevate da “congelare” assetti non-equilibrio e fasi metastabili che nei processi convenzionali non si formano, o si formano in modo diverso. Questo consente di rimettere in gioco elementi che nella metallurgia tradizionale dell’alluminio vengono spesso evitati.
Perché usare il ferro (Fe) se di solito è considerato un problema
Nelle leghe di alluminio, il ferro è spesso associato a composti intermetallici indesiderati che possono peggiorare duttilità e (in alcuni contesti) corrosione. Lo studio mostra però che, con la LPBF, è possibile guidare la formazione di microstrutture utili in cui il Fe contribuisce a una “armatura” di fasi intermetalliche fini e distribuite su scala micro/nano, migliorando stabilità meccanica alle alte temperature.
Il metodo: scegliere gli elementi in base a termodinamica e cinetica (non per tentativi)
Gli autori propongono un approccio di progettazione che combina termodinamica e cinetica per selezionare gli elementi di lega in sistemi Al-Fe destinati alla stampa: l’obiettivo è indirizzare dove “finiscono” gli elementi durante la solidificazione (nella fase liquida o nella matrice solida) e come questo governa fasi, particelle, dimensione dei grani e quindi le proprietà finali. Nel lavoro vengono testati in modo sistematico aggiunte di Cu (rame), Mn (manganese) e Ti (titanio) come “terzi elementi” in leghe Al-Fe-X, proprio per isolare il ruolo di ciascuno.
Cosa succede nella microstruttura: particelle nanometriche e controllo dei grani
Nel paper viene descritta una microstruttura a due fasi in cui la matrice α-Al convive con particelle intermetalliche di tipo Al₆Fe (identificate con analisi diffrattometriche e microscopiche). A seconda dell’elemento aggiunto, cambia la morfologia e la distribuzione:
- con Cu e Mn si osserva un arricchimento di questi elementi nella fase Al₆Fe e, nel caso del Cu, anche precipitati su scala ~10 nm;
- con Ti emerge un effetto marcato di raffinamento del grano, attribuito a nucleazione eterogenea su particelle intermetalliche ricche di Ti (con riferimento alla possibile fase Al₃Ti), ottenendo una tessitura più “random” rispetto alle leghe senza Ti.
Risultati meccanici chiave (20–300 °C): resistenza a caldo e duttilità
Le prove di trazione riportate nello studio coprono intervalli fino a 300 °C e mostrano trade-off interessanti tra rinforzo, anisotropia e duttilità:
- l’aggiunta di Mn e Cu aumenta i valori di resistenza (con valori di resistenza a trazione che superano 350 MPa a temperatura ambiente per alcune ternarie, legati anche a strain hardening);
- la lega Al-Fe-Ti evidenzia un miglioramento della duttilità con allungamento indicato intorno a ~15%, con minore dipendenza dall’orientazione di prova;
- per l’alta temperatura, la lega Al-Fe-Mn mantiene una yield strength > 220 MPa a 300 °C, mentre l’effetto del Cu cala più rapidamente con la temperatura (nel lavoro viene collegato al coarsening di precipitati ricchi in Cu e alla diffusività relativa).
Dalla ternaria alla “serie”: una quaternaria ad alta densità e una quaternaria stabile a lungo termine
Oltre alle ternarie Al-Fe-X, il lavoro spinge verso leghe multi-elemento ottimizzate per PBF-LB:
- viene riportata la preparazione di polvere tramite atomizzazione a gas per una composizione Al-2.5Fe-2Cu-2Mn (mass%) e l’ottimizzazione dei parametri PBF-LB per ottenere densità relative > 99%; per questa quaternaria si indica una resistenza a trazione intorno a ~450 MPa (con anisotropia ancora presente ma con duttilità giudicata adeguata grazie a maggiore uniform elongation);
- viene anche discussa una lega Al-Fe-Mn-Ti come materiale robusto sia a temperatura ambiente sia in esercizio a caldo, con proprietà che risultano quasi invariate dopo esposizione termica di lungo periodo a 300 °C per 100 ore.
Perché questo filone interessa l’industria: elementi comuni, riciclabilità e applicabilità del metodo
La cornice “sustainable” nello studio non è solo comunicativa: l’idea è costruire una serie di leghe basate su Al-Fe usando elementi relativamente disponibili e compatibili con filiere di riciclo, e soprattutto formalizzare un metodo trasferibile ad altri sistemi metallici stampati in 3D. Nella comunicazione istituzionale si parla esplicitamente di possibilità di applicazione a componenti leggeri e resistenti al calore, con un esempio di direzione applicativa su parti rotanti per compressori in ambito automotive.
Chi sono i soggetti coinvolti e dove è stato pubblicato
Il lavoro è guidato da Naoki Takata (Nagoya University) con un team di co-autori della stessa università; nella nota istituzionale compare anche Masaki Kato dell’Aichi Center for Industry and Science Technology (centro di ricerca/tecnologia industriale regionale). L’articolo scientifico è pubblicato su Nature Communications con titolo “Design of high-performance sustainable aluminum alloy series for laser additive manufacturing” (pubblicazione 15 dicembre 2025) e DOI 10.1038/s41467-025-67281-8.
