Trovare nuovo, modi a basso costo per realizzare leghe metalliche e compositi migliori è uno dei santi graal del mondo della ricerca sui materiali. Gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti stanno riscontrando molto successo utilizzando approcci di elaborazione in fase solida per creare materiali con proprietà migliorate. Per capire cosa sta succedendo e perché, stanno scrutando fino al livello atomico delle microstrutture dei materiali. Uno studio recente è stato pubblicato questo mese su Communications Materials.

Attraverso la storia, dell'età del bronzo, all'età del ferro, ai tempi moderni, l'arte del possibile nella produzione di metalli è stata in gran parte limitata ai processi in cui il metallo viene prima fuso e poi sottoposto a una serie di passaggi ad alta intensità energetica per produrre leghe e, in definitiva, prodotti utili. Gli approcci di lavorazione basati sulla fusione hanno avuto molto successo, ma sono limitati nei tipi di leghe metalliche e compositi che possono essere realizzati e nelle proprietà che possono essere raggiunte.

Nella lavorazione in fase solida, i metalli non vengono fusi ma sono invece soggetti a una forza di taglio meccanica. Questo mescola i metalli per creare leghe o compositi, per modificare localmente le proprietà del materiale, o per realizzare saldature tra due materiali. Il taglio comporta l'applicazione di una pressione mentre si fanno scorrere metalli o materiali l'uno contro l'altro. Questo crea attrito, e quindi calore, per combinare e trasformare i materiali.

Questo studio si è concentrato su una lega leggera di alluminio e silicio ampiamente utilizzata nella difesa, aerospaziale, e industrie automobilistiche. Il team ha utilizzato la forza di taglio per ristrutturare la lega a livello nanometrico. La distribuzione del silicio è stata modificata a livello atomico, rendendo la microstruttura molto più robusta rispetto a materiali identici prodotti convenzionalmente, " secondo lo scienziato dei materiali del PNNL Arun Devaraj.

"Abbiamo analizzato come la forza di taglio introduce una nanostruttura gerarchica, " ha affermato Devaraj. "I test di compressione hanno mostrato che la nanostruttura creata con il taglio aveva quasi il doppio della resistenza rispetto alla microstruttura della stessa lega formata dalla fusione." Devaraj e il suo team hanno creato micropilastri dalla lega colata prima e dopo il taglio e hanno misurato la quantità di forza necessaria per comprimere ciascun gruppo.

Nel matrimonio di una lega alluminio-silicio, l'alluminio è il morbido, sensibile. Il silicio è fragile e duro, con tendenza a rompersi. Prima dell'esperimento, le particelle di silicio in lega di colata erano piccole, circa 10 micron in media, e distribuite all'interno e tra i grani di alluminio molto più grandi.

Utilizzando la tomografia a sonda atomica e la microscopia elettronica presso l'EMSL, il laboratorio di scienze molecolari ambientali, un DOE Office of Science User Facility al PNNL:il team ha osservato come la forza di taglio modifica la microstruttura della lega. Le particelle di silicio si sono fratturate in pezzi sempre più piccoli fino a quando non sono state quasi dissolte nell'alluminio. I grani di alluminio sono diventati molto più piccoli. Sia la fase di alluminio che quella di silicio hanno mostrato una maggiore mescolanza a causa della deformazione da taglio.

Comprendere l'influenza della deformazione di taglio estrema sulla microstruttura di una lega metallica è fondamentale per ottimizzare nuovi metodi di lavorazione dei materiali in fase solida. Sono utili anche conoscenze per il campo della tribologia, che si occupa delle interazioni tra due superfici in moto relativo tra loro, come cuscinetti a sfera e altre apparecchiature utilizzate nel trasporto.

Iniziativa scientifica per l'elaborazione in fase solida di PNNL, un investimento di laboratorio, ha finanziato questa ricerca come parte dei suoi sforzi per far progredire la comprensione fondamentale dei percorsi di sintesi dei materiali in fase solida e per consentire la produzione di materiali e componenti di prossima generazione che potrebbero fare la differenza in più settori, compreso quello aerospaziale, trasporto, energia, e riciclaggio dei metalli.