Il metodo di progettazione di un’innovativa lega può condurre ad ulteriori evoluzioni per applicazioni ad alta temperatura come gli scambiatori di calore.
L’esigenza di nuovi materiali è particolarmente sentita nei settori aerospaziale e della difesa, dove sono fondamentali resistenza meccanica, durabilità e capacità di sopportare temperature estreme, ad esempio per il volo ad alta velocità. Questo spinge la comunità scientifica a esplorare i limiti delle tecnologie più avanzate.
Un team di ricercatori dell’Arizona State University, dell’U.S. Army Research Laboratory, della Lehigh University e della Louisiana State University ha realizzato una lega di rame caratterizzata da un’eccezionale stabilità termica e resistenza meccanica.
I risultati, pubblicati sulla prestigiosa rivista Science, introducono una lega nanocristallina massiva Cu-3-Ta-0,5Li che dimostra una straordinaria resistenza all’ingrossamento dei grani e alla deformazione per scorrimento viscoso (creep), anche a temperature prossime al punto di fusione.
Kiran Solanki, coautore dell’indagine e professore alla Facoltà d’Ingegneria dei Materiali, dei Trasporti e dell’Energia dell’Arizona State University, ha spiegato che il metodo adottato s’ispira ai meccanismi di rafforzamento riscontrati nelle superleghe a base di nichel, note per la loro eccezionale resistenza meccanica ed alla corrosione, oltre che per la stabilità alle alte temperature. Queste caratteristiche le rendono il punto di riferimento per componenti aerospaziali, turbine a gas e apparecchiature per processi chimici.
L’interesse principale della ricerca di Solanki riguarda lo studio della relazione tra struttura e proprietà dei materiali avanzati su diverse scale dimensionali con l’obiettivo di sviluppare soluzioni multifunzionali per applicazioni estreme, come esposizione a radiazioni, sollecitazioni ad alte velocità, fatica meccanica e prevenzione della deformazione lenta sotto stress meccanico o creep.
La nuova lega deve le sue incredibili proprietà a una struttura nanometrica unica, contraddistinta dalla presenza di precipitati di rame-litio ordinati con precisione, circondati da un doppio strato atomico arricchito in tantalio. L’aggiunta esatta dello 0,5% di litio (percentuale precisa) a un sistema Cu-Ta, precedentemente immiscibile, modifica la morfologia dei precipitati trasformando quelli sferici, tipici del sistema Cu-Ta, in strutture cubiche stabili, con un miglioramento significativo delle prestazioni termiche e meccaniche.
I risultati principali della ricerca sulla superlega di rame includono:
– Stabilità termica avanzata: la lega Cu-3Ta-0,5Li rimane stabile a 800 °C per oltre 10.000 ore, con una perdita minima del limite di snervamento.
– Elevata resistenza alle alte temperature superando le prestazioni delle attuali leghe di rame in commercio ed arrivando ad un limite di snervamento di 1120 MPa a temperatura ambiente.
Per rendere l’idea: 1120 MPa (megapascal) è circa 11.000 volte la pressione atmosferica che al livello del mare, mediamente, è di 1013 hPa (ettopascal). In pratica è come se si applicasse una forza enorme su una superficie molto piccola, tanto che il materiale inizia a deformarsi irreversibilmente.
– Resistenza superiore al creep: la lega Cu-Ta-Li mostra una deformazione per scorrimento viscoso decisamente inferiore rispetto alle leghe Cu-Ta convenzionali.
I potenziali utilizzi comprendono scambiatori di calore, componenti elettrici ad alte prestazioni, armamenti e materiali strutturali che richiedono un’elevata durabilità in condizioni estreme.
Lo studio è disponibile a questo link.
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Immagini: Kiran Solanki
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