Quando si incollano due pezzi di metallo, o i metalli devono fondersi un po' dove si incontrano oppure deve essere introdotto del metallo fuso tra i pezzi. Un legame solido si forma quindi quando il metallo si solidifica di nuovo. Ma i ricercatori del MIT hanno scoperto che in alcune situazioni, la fusione può effettivamente inibire il legame del metallo piuttosto che promuoverlo.

La scoperta sorprendente e controintuitiva potrebbe avere gravi implicazioni per la progettazione di determinati processi di rivestimento o per la stampa 3D, che richiedono entrambi che i materiali si uniscano e rimangano tali.

La ricerca, condotto dai postdoc Mostafa Hassani-Gangaraj e David Veysset e dai professori Keith Nelson e Christopher Schuh, è stato riportato in due giornali, sui giornali Lettere di revisione fisica e Scripta Materialia .

Schuh, chi è Danae e Vasilis Salapatas Professore di Metallurgia e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, spiega che uno dei documenti delinea "un progresso rivoluzionario nella tecnologia" per osservare le interazioni ad altissima velocità, mentre l'altro utilizza quell'imaging ad alta velocità per rivelare che la fusione indotta dall'urto di particelle di metallo può impedire l'adesione.

La configurazione ottica, con una fotocamera ad alta velocità che utilizza 16 chip di imaging separati per dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) e può registrare immagini in soli 3 nanosecondi, è stato sviluppato principalmente da Veysset. La telecamera è così veloce da poter tracciare singole particelle spruzzate su una superficie a velocità supersoniche, un'impresa che prima non era possibile. Il team ha utilizzato questa fotocamera, che può riprendere fino a 300 milioni di fotogrammi al secondo, osservare un processo simile alla verniciatura a spruzzo simile a quelli utilizzati per applicare un rivestimento metallico alle superfici in molte industrie.

Sebbene tali processi siano ampiamente utilizzati, fino ad ora le loro caratteristiche sono state determinate empiricamente, poiché il processo stesso è così veloce "non puoi vederlo, non puoi dire cosa sta succedendo, e nessuno è mai riuscito a guardare il momento in cui una particella impatta e si attacca, " dice Schuh. Di conseguenza, c'è stata una controversia in corso sul fatto che le particelle metalliche si sciolgano effettivamente quando colpiscono la superficie da rivestire. La nuova tecnologia significa che ora i ricercatori "possono guardare cosa sta succedendo, può studiarlo, e può fare scienza, " lui dice.

Le nuove immagini chiariscono che in alcune condizioni, le particelle di metallo che vengono spruzzate su una superficie sciolgono davvero la superficie e questo, inaspettatamente, impedisce loro di attaccarsi. I ricercatori hanno scoperto che le particelle rimbalzano via in molto meno tempo di quanto impiegherà la superficie a risolidificarsi, così lasciano la superficie che è ancora fusa.

Se gli ingegneri scoprono che un materiale di rivestimento non aderisce bene, possono essere inclini ad aumentare la velocità di spruzzatura o la temperatura per aumentare le possibilità di fusione. Però, i nuovi risultati mostrano il contrario:la fusione dovrebbe essere evitata.

Si scopre che il miglior legame si verifica quando le particelle e le superfici impattate rimangono allo stato solido ma "spruzzano" verso l'esterno in un modo che sembra liquido. È stata "un'osservazione illuminante, " secondo Schuh. Quel fenomeno "si trova in una varietà di questi metodi di lavorazione dei metalli, " dice. Ora, è chiaro che "incollare metallo su metallo, dobbiamo fare un tuffo senza liquido. Uno spruzzo solido si attacca, e uno liquido no." Con la nuova capacità di osservare il processo, Hassani-Gangaraj dice, "da misurazioni precise, potremmo trovare le condizioni necessarie per indurre quel legame".

I risultati potrebbero essere rilevanti per i processi utilizzati per rivestire i componenti del motore al fine di riutilizzare le parti usurate piuttosto che relegarle nel cestino dei rottami metallici. "Con un vecchio motore di una grande macchina movimento terra, costa una fortuna buttarlo via, e costa una fortuna scioglierlo e rifonderlo, "Schuh dice. "Invece, puoi pulirlo e utilizzare un processo a spruzzo per rinnovare la superficie." Ma ciò richiede che il rivestimento spruzzato rimanga saldamente incollato.

Oltre ai rivestimenti, le nuove informazioni potrebbero anche aiutare nella progettazione di alcuni sistemi di produzione additiva a base di metallo, nota come stampa 3D. Là, come con i rivestimenti, è fondamentale assicurarsi che uno strato del materiale di stampa aderisca saldamente allo strato precedente.

"Ciò che questo lavoro promette è un approccio accurato e matematico" per determinare le condizioni ottimali per garantire un legame solido, Schuh dice. "È matematico piuttosto che empirico."