Evoluzione delle leghe di alluminio ad alte temperature: le innovazioni dal MIT e dai laboratori USA
È notizia recente che un team di ricercatori del MIT - Massachusetts Institute of Technology ha messo a punto una nuova lega di alluminio realizzata tramite metallurgia delle polveri, capace di elevata resistenza meccanica, fino a quasi 400 MPa a temperatura ambiente, e in grado di mantenere buone proprietà fino a oltre 400°C, quindi con prestazioni metallurgiche molto elevate.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Advanced Materials, descrive in dettaglio il processo di progettazione della lega, che ha coinvolto anche ricercatori della Paderborn University (Germania) e della Carnegie Mellon University.
La nuova lega di alluminio del MIT: caratteristiche e applicazioni
Secondo le dichiarazioni della professoressa Mohadeseh Taheri-Mousavi, capoprogetto del MIT e oggi assistant professor alla Carnegie Mellon University, e del professor John Hart, direttore del dipartimento di Mechanical Engineering del grande centro universitario, l'eccezionale risultato apre numerose opportunità di nuove applicazioni del metallo leggero in settori strategici.
La nuova lega di alluminio del MIT potrebbe rivoluzionare l'industria aerospaziale, l'automotive e gli impieghi strutturali. Per esempio, i ricercatori prevedono che permetterà di realizzare componenti critici più leggeri e resistenti alle alte temperature, come le palette delle turbine dei motori a reazione.
Oggi le palette sono realizzate in titanio, un materiale più pesante di oltre il 50% e fino a 10 volte più costoso dell'alluminio, oppure in materiali compositi avanzati. Concetti ripresi dal professor Xinghang Zhang, della School of Materials Engineering della Purdue University (Indiana, USA), il quale ha ribadito che la nuova lega potrebbe rivoluzionare l'intera industria, specialmente quella automobilistica e aerospaziale.
Il processo di sviluppo: AI e ingegneria avanzata
La nuova lega leggera è stata realizzata con il supporto degli strumenti più avanzati oggi a disposizione della metallurgia, come l'intelligenza artificiale e le tecniche più raffinate di ingegneria, in modo da poter selezionare la composizione chimica più opportuna tra le possibili varianti in termini dei componenti di lega e modalità produttive adeguate.
Per raggiungere gli obiettivi microstrutturali più idonei ad assicurare le previste caratteristiche di impiego, si è fatto ricorso a bombardamenti via laser del metallo base con particelle di biossido di silicio. Questa tecnica, introducendo "distorsioni e difetti" nella geometria cristallina di base - si parla di variazioni di microstruttura dell'ordine di nanometri, quindi milionesimi di millimetro - assicura più elevata resistenza meccanica sia a temperatura ambiente che a caldo.
È chiaro che dietro a tutto questo c'è la grande crescita negli ultimi decenni delle conoscenze metallurgiche dei materiali e dei nuovi mezzi strumentali disponibili, opportunità che rendono ancora più solida l'immagine dell'alluminio come il materiale dei prossimi decenni: non solo leggero, ampiamente disponibile, trasformabile, riciclabile, ma anche ad alta resistenza meccanica.
L'evoluzione delle leghe di alluminio ad alte temperature rappresenta quindi un campo di ricerca strategico per ampliare le applicazioni del metallo leggero in contesti fino ad oggi preclusi dalle limitazioni termiche delle leghe tradizionali.
Dal rottame agli estrusi: la nuova tecnologia ShAPE™
Sempre dagli Stati Uniti arriva un nuovo importante risultato di ricerca metallurgica sul metallo leggero, raggiunto dagli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Si parla di un processo rivoluzionario relativo a una nuova tecnica per trasformare, senza trattamenti di fonderia, i rottami di alluminio direttamente in lega allo stato solido, senza fusione.
La nuova tecnica è stata denominata Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE™), ed è stata messa a punto per la produzione di estrusi con billette realizzate attraverso il processo di lega in fase solida.
Come funziona il processo ShAPE™
Il processo utilizza una matrice rotante ad alta velocità che disperde i rottami di alluminio frantumati e gli opportuni dosaggi dei tipici elementi di lega come silicio, rame, zinco e magnesio, generando per attrito il calore necessario ad ammorbidire il materiale e a facilitarne l'estrusione per formare tubi, barre e profili.
Le scanalature a spirale sulla superficie della matrice rotante convogliano il materiale verso il foro di estrusione. Di conseguenza, le spinte lineari e rotazionali simultanee utilizzano solo il 10% della forza normalmente necessaria per spingere il materiale attraverso la matrice nei processi di estrusione convenzionali.
Inoltre, il processo ShAPE™ consente l'estrusione di leghe che non possono essere facilmente estruse con le tecniche tradizionali. Il metodo è stato brevettato e proposto come una nuova opportunità per trasformare rottami di alluminio in una lega ad alta resistenza in tempi molto ridotti rispetto alla fusione, alla colata e all’estrusione.
Implicazioni per le leghe leggere nell'automotive e nell'aeronautica
Entrambe le innovazioni descritte rappresentano passi significativi nell'ampliamento delle possibilità applicative delle leghe leggere per automotive e aeronautica. La lega del MIT, con la sua resistenza alle alte temperature, apre scenari inediti per componenti motore e strutturali ad alte prestazioni termiche. Il processo ShAPE™, dal canto suo, offre una via sostenibile e economicamente vantaggiosa per produrre leghe ad alta resistenza direttamente da rottame, rafforzando la circolarità della filiera dell'alluminio.
Queste ricerche confermano come l'evoluzione delle leghe di alluminio ad alte temperature e lo sviluppo di processi produttivi innovativi stiano ridefinendo il perimetro applicativo del metallo leggero, posizionandolo come materiale strategico per le sfide tecnologiche dei prossimi decenni nei settori dell'automotive e dell'aeronautica.
Fonte: A&L Aluminium Alloys Pressure Diecasting Foundry Techniques