Le leghe intermetalliche hanno potenzialmente un'elevata resistenza in un ambiente ad alta temperatura. Ma generalmente soffrono di scarsa duttilità a temperature ambiente e basse, limitando così le loro applicazioni nel settore aerospaziale e in altri campi dell'ingegneria. Ancora, un gruppo di ricerca guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha recentemente scoperto gli strati disordinati su nanoscala ai bordi dei grani nelle leghe intermetalliche ordinate. I nanostrati possono non solo risolvere efficacemente l'inconciliabile conflitto tra forza e duttilità, ma mantengono anche la resistenza della lega con un'ottima stabilità termica alle alte temperature. La progettazione di nanostrati simili potrebbe aprire la strada alla progettazione di nuovi materiali strutturali con proprietà di lega ottimali.

Questa ricerca è stata condotta dal professor Liu Chain-tsuan, Distinguished Professor dell'Università di CityU e Senior Fellow dell'Hong Kong Institute for Advanced Study (HKIAS). I risultati sono stati appena pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Scienza , intitolato "Leghe superreticolo duttili e ultra-resistenti con interfacce disordinate su nanoscala".

Proprio come i metalli, la struttura interna delle leghe intermetalliche è costituita da singole aree cristalline note come "grani". La consueta fragilità nelle leghe intermetalliche è generalmente attribuita alla fessurazione lungo i bordi dei grani durante la deformazione a trazione. L'aggiunta dell'elemento boro alle leghe intermetalliche è stato uno degli approcci tradizionali per superare la fragilità. Il professor Liu è stato in realtà uno di quelli che ha studiato questo approccio 30 anni fa. A quel tempo, scoprì che l'aggiunta di boro a leghe intermetalliche binarie (che costituiscono due elementi, come Ni ₃ Al) migliora la coesione del bordo grano, migliorando così la loro duttilità complessiva.

Un sorprendente risultato sperimentale

Negli ultimi anni, Il professor Liu ha ottenuto molti grandi progressi nello sviluppo di leghe intermetalliche sfuse (la lega intermetallica è anche chiamata lega superlattice, costruito con lungo raggio, struttura ordinata atomicamente compatta). Questi materiali con buone resistenze sono molto attraenti per applicazioni strutturali ad alta temperatura, ma generalmente soffrono di una grave fragilità a temperatura ambiente, così come rapido ingrossamento del grano (cioè crescita della dimensione del grano) e rammollimento ad alte temperature. Quindi questa volta, Il professor Liu e il suo team hanno sviluppato la nuova strategia di "disordine su scala nanometrica interfacciale" in leghe intermetalliche multi-elemento, che consente l'elevata resistenza, grande duttilità a temperatura ambiente e ottima stabilità termica anche a temperature elevate.

"Ciò che inizialmente abbiamo cercato di fare è migliorare la coesione del bordo del grano attraverso l'ottimizzazione della quantità di boro, " ha detto il dottor Yang Tao, assegnista di ricerca postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica (MNE) e IAS di CityU, che è anche uno dei co-primi autori dell'articolo. "Ci aspettavamo che, man mano che aumentavamo la quantità di boro, la lega manterrebbe una resistenza ultraelevata grazie ai suoi costituenti multi-elemento."

Secondo la saggezza popolare, l'aggiunta di tracce (da 0,1 a 0,5 percento atomico (a. %)) di boro migliora sostanzialmente la loro duttilità a trazione aumentando la coesione del bordo del grano. Quando sono state aggiunte quantità eccessive di boro, questo approccio tradizionale non funzionerebbe. "Ma quando abbiamo aggiunto quantità eccessive di boro alle attuali leghe intermetalliche multicomponente, abbiamo ottenuto risultati completamente diversi. Ad un certo punto mi sono chiesto se qualcosa è andato storto durante gli esperimenti, " Ha ricordato il dottor Yang.

Con sorpresa della squadra, quando si aumenta il boro fino a 1,5 a 2,5 a. %, queste leghe drogate con boro divennero molto resistenti ma molto duttili. I risultati dell'esperimento hanno rivelato che le leghe intermetalliche con 2 at. % di boro ha una resistenza allo snervamento ultraelevata di 1,6 gigapascal con una duttilità a trazione del 25% a temperatura ambiente.

Studiando attraverso diversi microscopi elettronici a trasmissione, il team ha scoperto che quando la concentrazione di boro variava da 1,5 a 2,5 a. %, si è formato un nanostrato distintivo tra grani ordinati adiacenti. Ciascuno dei grani è stato incapsulato all'interno di questo nanostrato ultrasottile di circa 5 nm di spessore. E il nanostrato stesso ha una struttura atomica disordinata. "Questo fenomeno speciale non era mai stato scoperto e segnalato prima, " ha detto il professor Liu.

I loro test di trazione hanno mostrato che il nanostrato funge da zona cuscinetto tra i grani adiacenti, che consente la deformazione plastica ai bordi dei grani, con conseguente grande duttilità a trazione a un livello di snervamento ultraelevato.

Perché si forma il nanostrato disordinato?

Il team ha scoperto che l'ulteriore aumento del boro ha sostanzialmente migliorato la "co-segregazione di più elementi", la suddivisione di più elementi lungo i bordi dei grani. Con la tomografia a sonda atomica tridimensionale avanzata (3-D APT) presso CityU, unico nel suo genere a Hong Kong e nel sud della Cina, hanno osservato un'alta concentrazione di boro, atomi di ferro e cobalto all'interno dei nanostrati. In contrasto, il nichel, l'alluminio e il titanio erano in gran parte esauriti lì. Questa partizione elementare unica, di conseguenza, ha indotto il disordine su scala nanometrica all'interno del nanostrato che sopprime efficacemente le fratture lungo i bordi dei grani e migliora la duttilità.

Inoltre, quando si valuta la risposta termica della lega, il team ha scoperto che l'aumento della granulometria era trascurabile anche dopo 120 ore di ricottura ad una temperatura elevata di 1050°C. Ciò ha sorpreso ancora una volta il team perché la maggior parte dei materiali strutturali di solito mostra la rapida crescita della granulometria ad alta temperatura, con conseguente diminuzione della forza rapidamente.

Un nuovo percorso per lo sviluppo di materiali strutturali per usi ad alta temperatura

Credevano che il nanostrato fosse fondamentale per sopprimere la crescita della dimensione del grano e mantenere la sua forza ad alta temperatura. E la stabilità termica del nanostrato disordinato renderà questo tipo di lega adatto per applicazioni strutturali ad alta temperatura.

"La scoperta di questo nanostrato disordinato nella lega avrà un impatto sullo sviluppo di materiali ad alta resistenza in futuro. In particolare, questo approccio può essere applicato a materiali strutturali per applicazioni in ambienti ad alta temperatura come quello aerospaziale, settore automobilistico, energia nucleare, e ingegneria chimica, " ha detto il professor Liu.