Un team di ricerca guidato dalla City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato una strategia per creare nuove leghe ad alta resistenza estremamente resistenti, duttile e flessibile. La strategia supera le criticità del dilemma del trade-off forza-duttilità, aprendo la strada a materiali strutturali innovativi in ​​futuro.

Leghe a più elementi principali, generalmente denominate leghe ad alta entropia (HEA), sono un nuovo tipo di materiale costruito con quantità uguali o quasi uguali di cinque o più metalli. Attualmente sono al centro dell'attenzione nella scienza e nell'ingegneria dei materiali a causa delle loro potenziali applicazioni strutturali. Eppure la maggior parte delle leghe condivide la stessa caratteristica dannosa:maggiore è la resistenza della lega, minore è la duttilità e la tenacità, il che significa che le leghe forti tendono ad essere meno deformabili o estensibili senza fratturarsi.

Recentemente, però, uno studio condotto dal professor Liu Chain Tsuan, Illustre Professore Universitario del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso CityU, ha trovato una soluzione rivoluzionaria a questo scoraggiante dilemma decennale:realizzare leghe ad alta entropia attraverso una massiccia precipitazione di particelle su scala nanometrica. Questa ricerca all'avanguardia è stata appena pubblicata nell'ultimo numero della prestigiosa rivista Scienza , intitolato "Nanoparticelle intermetalliche multicomponente e superbi comportamenti meccanici di leghe complesse".

Risolvere il compromesso forza-duttilità

"Siamo in grado di realizzare una nuova lega ad alta entropia chiamata Al ₇ Ti ₇ ((FeCoNi) ₈₆ -Al ₇ Ti ₇ ) con una resistenza superiore di 1,5 gigapascal e una duttilità fino al 50 percento in tensione a temperatura ambiente. Rafforzato da nanoparticelle, questa nuova lega è cinque volte più resistente di quella a base di ferro-cobalto-nichel (FeCoNi), "dice il professor Liu.

"La maggior parte delle leghe convenzionali contiene uno o due elementi principali, come nichel e ferro per la fabbricazione, " spiega. "Tuttavia, aggiungendo ulteriori elementi di alluminio e titanio per formare precipitati massicci nella lega a base di FeCoNi, abbiamo riscontrato che sia la resistenza che la duttilità sono notevolmente aumentate, risolvere il problema critico del dilemma del compromesso per i materiali strutturali."

Inoltre, le leghe ad alta resistenza di solito affrontano instabilità di deformazione plastica, noto come problema del collo, il che significa che quando la lega è sotto un'elevata resistenza, la sua deformazione diventerebbe instabile e porterebbe molto facilmente alla frattura del necking (deformazione localizzata) con allungamento uniforme molto limitato. Ma il team ha inoltre scoperto che aggiungendo nanoparticelle intermetalliche multicomponente, che sono nanoparticelle complesse fatte di diversi elementi, può rinforzare uniformemente la lega migliorando l'instabilità di deformazione.

Affrontare il "problema del collo"

E hanno trovato la formula ideale per queste nanoparticelle complesse, che consiste di nichel, cobalto, ferro da stiro, atomi di titanio e alluminio. Il professor Liu spiega che ogni nanoparticella misura da 30 a 50 nanometri. Gli atomi di ferro e cobalto che sostituiscono alcuni dei componenti di nichel aiutano a ridurre la densità dell'elettrone di valenza e migliorano la duttilità della nuova lega. D'altra parte, la sostituzione di parte dell'alluminio con il titanio riduce ampiamente l'impatto dell'umidità nell'aria per evitare l'infragilimento indotto in questa nuova lega resistente.

"Questa ricerca apre una nuova strategia progettuale per lo sviluppo di superleghe, ingegnerizzando nanoparticelle multicomponente per rafforzare leghe complesse per ottenere eccellenti proprietà meccaniche a temperatura ambiente e a temperature elevate, "dice il professor Liu.

Ritiene che le nuove leghe sviluppate con questa nuova strategia funzioneranno bene a temperature comprese tra -200°C e 1000°C. Quindi possono fungere da buona base per ulteriori sviluppi per l'uso strutturale in dispositivi criogenici, aeromobili e sistemi aeronautici e non solo.