Non importa se fa molto caldo o freddo: la superlega resiste praticamente a tutto

Non importa se fa molto caldo o freddo
La superlega può resistere quasi a tutto

24 aprile 2024, 6:47

Ascolta il materiale

I ricercatori hanno scoperto una lega metallica eccezionalmente resistente. Non si deforma, non si crepa o si rompe in modo permanente a temperature molto elevate o molto basse. Il loro studio dimostra che questa lega potrebbe costituire la base dei futuri motori, soprattutto di quelli efficienti.

Un team di scienziati americani ha scoperto che una lega metallica composta da niobio, tantalio, titanio e afnio ha proprietà che prima si ritenevano quasi impossibili. Il materiale mostra resistenza e durata che sono quasi “scioccanti” per i ricercatori a temperature estremamente elevate ed estremamente basse. Ciò significa che la lega non si deforma in modo permanente e non si rompe o si spezza in condizioni di caldo o freddo estremi. In quanto recentemente pubblicato dalla rivista “Science”. Stare Gli scienziati spiegano come ciò sia possibile e quali possibilità apre questa scoperta.

“L’efficienza della conversione del calore in elettricità o propulsione è determinata dalla temperatura alla quale il carburante viene bruciato, e più è caldo, meglio è”, afferma l’autore principale David Cook. “Tuttavia, la temperatura operativa è limitata dai materiali strutturali a cui deve resistere .” “Non possiamo più ottimizzare i materiali che utilizziamo attualmente per le alte temperature e c'è un grande bisogno di nuovi materiali metallici. Questa lega promette di fare proprio questo.”

Incredibilmente diverso.

Tipicamente, le leghe sono costituite da un metallo base mescolato con piccole quantità di altri elementi. D'altro canto, la lega scoperta appartiene ad una nuova classe che viene prodotta mescolando quantità approssimativamente uguali di elementi metallici a temperature di fusione molto elevate. Queste sono chiamate leghe refrattarie monofase (RMEA) e leghe refrattarie ad alta entropia (RHEA).

Il leader dello studio Robert Ritchie e il suo team hanno studiato queste leghe per diversi anni a causa del loro potenziale per applicazioni ad alta temperatura. In precedenza si era scoperto che, sebbene questi materiali fossero molto resistenti, generalmente avevano una tenacità alla frattura (resistenza alla fessurazione) molto bassa. “Ecco perché siamo rimasti scioccati quando questa lega ha mostrato una durezza eccezionalmente elevata”, afferma Puneet Kumar, dipendente della Ricci.

Più duro del miglior acciaio

David Cook spiega che di solito sono tra i metalli più fragili. I migliori acciai criogenici (temprati a freddo), appositamente progettati per la resistenza alla rottura, sono circa 20 volte più resistenti di questi materiali. Tuttavia, le leghe di niobio, tantalio, titanio e afnio hanno sovraperformato l’acciaio criogenico ed erano più di 25 volte più dure delle tipiche RMEA a temperatura ambiente.

Per lo studio, gli scienziati hanno misurato la resistenza e la durata a un totale di cinque temperature: meno 196 gradi Celsius (temperatura dell'azoto liquido), 25 gradi (temperatura ambiente), 800 gradi, 950 gradi e 1.200 gradi. La temperatura finale è circa un quinto della temperatura della superficie del Sole.

Il team ha scoperto che la lega ha la massima resistenza a freddo e diventa leggermente più debole con l’aumentare della temperatura, ma ha comunque valori impressionanti su tutta la gamma. La resistenza alla fessurazione è risultata elevata a tutte le temperature.

Bande attorcigliate nella struttura cristallina

Una spiegazione di ciò risiede nella struttura cristallina della lega. I dati al microscopio elettronico hanno mostrato che l’insolita rigidità era dovuta a un effetto collaterale inaspettato di un raro difetto chiamato bande di torsione. Si formano in un cristallo quando una forza applicata fa sì che le fette del cristallo collassino e si pieghino improvvisamente. Ciò fa sì che il materiale diventi più morbido e quindi si deformi più facilmente.

Il team sapeva da ricerche precedenti che le bande di nodi si formano facilmente negli RMEA, ma hanno ipotizzato che l’effetto ammorbidente avrebbe reso il materiale meno flessibile perché una fessura potrebbe propagarsi più facilmente attraverso la rete. Tuttavia, in realtà non è così. Dimostra per la prima volta che quando si verifica una frattura acuta tra gli atomi, le bande di torsione ne impediscono la diffusione, allontanando il danno da esso, spiega Cook. Ciò si traduce in una resistenza alla frattura insolitamente elevata.

Sono necessarie ulteriori ricerche di base e la lega deve ancora essere sottoposta a numerosi test tecnici “prima di poter essere trasformata in qualcosa come una turbina per un jet o un ugello per un razzo per SpaceX”, afferma Ritchie. “Tuttavia, questo studio lo dimostra che il metallo “ha il potenziale per costruire i motori del futuro”.