Nuove superleghe ad alta entropia stampabili in 3D per resistere al calore estremo
Il settore aerospaziale è all’avanguardia nella ricerca di materiali in grado di resistere alle condizioni estreme dei motori a reazione e delle turbine a gas. Negli ultimi decenni le superleghe a base di nichel, note per la resistenza e la resilienza elevate alle alte temperature, sono state un pilastro di queste applicazioni, ma la richiesta di temperature operative più elevate nel settore ha spinto le loro prestazioni verso un tetto termico, poiché tali temperature si avvicinano al punto di fusione delle leghe coinvolte. Recentemente l’attenzione è stata rivolta alle superleghe a base di cobalto, un’interessante alternativa. Grazie ai precipitati gamma primi (precipitati microscopici e coerenti che si formano all’interno della struttura cristallina) che ne rafforzano la struttura, queste leghe sono destinate a superare le prestazioni delle loro controparti a base di nichel in condizioni di calore intenso. Ciononostante, il loro processo produttivo è irto di difficoltà.
Il meglio di due mondi
Il progetto CSNTech, finanziato dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, ha unito la forza del metallo e del cobalto attraverso la metallurgia delle polveri, che prevede la miscelazione, la modellazione e il riscaldamento delle polveri metalliche per formare una lega solida. «Ci siamo concentrati sullo sviluppo di una nuova generazione di superleghe, le cosiddette superleghe ad alta entropia», osserva il coordinatore del progetto José Manuel Torralba. L’obiettivo era di migliorare questi metalli rispetto a quelli attualmente impiegati in condizioni ad alte temperature. «Abbiamo cercato di risolvere alcuni problemi comuni riscontrati in queste superleghe convenzionali ad alta entropia, perfezionando i metodi basati sulle polveri e migliorandone il funzionamento con tecniche di stampa 3D all’avanguardia come la fusione laser a letto di polvere», spiega Torralba.
Progressi nello sviluppo di leghe ad alta entropia
I risultati principali includono la formulazione di polveri di leghe monofase ad alta entropia caratterizzate da elevate temperature di solvus gamma primo, importanti per determinare il punto di fusione di un determinato componente in una miscela di metalli. La conoscenza di questa temperatura consente un riscaldamento e un raffreddamento precisi e garantisce che un metallo specifico raggiunga un’eccezionale resistenza alla pressione e al calore. Inoltre, permette di definire mappe di lavorazione ottimizzate per una stampa senza difetti (tecnologia di produzione additiva), nonché un’efficace sinterizzazione in corrente pulsata che prevede l’applicazione di corrente elettrica e pressione alle polveri per formare materiali solidi (tecnologia di metallurgia delle polveri). Gli studi si sono concentrati anche sull’identificazione del modo in cui la disposizione e la distribuzione degli atomi all’interno di una lega (entropia configurazionale) ne influenzano le proprietà. Grazie alla collaborazione con partner esterni, il gruppo di ricerca ha compiuto importanti progressi nel perfezionamento dei metodi di lavorazione e nell’analisi della caratterizzazione dei materiali.
Indagine di una relazione distinta
CNSTech ha introdotto nuovi progetti di leghe e tecniche di lavorazione delle polveri specificamente studiati per le superleghe ad alta entropia, permettendo uno sviluppo significativo della tecnologia attuale. Impiegando principi di alta entropia per la progettazione delle leghe e utilizzando tecniche di produzione avanzate, CNSTech ha cercato di ottenere temperature di solvus gamma primo più elevate e una migliore stampabilità rispetto alle superleghe tradizionali. «Il nostro approccio rivoluzionario si basa sull’ipotesi che collegare l’alta entropia di miscelazione con la temperatura di solvus gamma primo possa generare notevoli miglioramenti», sottolinea Torralba. Questa correlazione mette in discussione le strategie convenzionali di progettazione delle leghe, e potrebbe consentire lo sviluppo di materiali con proprietà eccezionali. Il suo impatto è notevole nell’ambito dei componenti aerospaziali e dei sistemi di generazione di energia, dove i materiali devono resistere a temperature e sollecitazioni estreme durante il funzionamento.
Le ripercussioni del progetto
L’impatto di CNSTech è sfaccettato. «Mettendo in relazione l’alta entropia di miscelazione con il miglioramento delle prestazioni delle superleghe, CNSTech apre nuove strade di ricerca per varie famiglie di leghe, oltre a quelle inizialmente considerate. Ad esempio, l’applicazione di concetti simili a diversi tipi di acciaio supera le tradizionali leghe ad alta entropia basate su più elementi principali», afferma Torralba. Questo approccio permette lo sviluppo della scienza dei materiali, migliorando la comprensione della termodinamica delle superleghe ad alta entropia e delle sue implicazioni pratiche nella progettazione delle leghe. In definitiva, promette di aumentare le prestazioni e l’efficienza dei motori aerospaziali e dei sistemi di generazione di energia attraverso lo sviluppo di nuove superleghe ad alta entropia con proprietà migliori.
Parole chiave
CNSTech, aerospaziale, superleghe ad alta entropia, generazione di energia, temperatura solvus gamma, nichel, cobalto, stampa 3D, metallurgia delle polveri