Le leghe ad alta entropia (HEAs) rappresentano una vera e propria rivoluzione nel campo dei materiali industriali. Queste nuove leghe, create attraverso la tecnologia di fabbricazione additiva basata su laser, offrono una resistenza e una duttilità senza precedenti, rendendole ideali per applicazioni industriali estreme. Grazie a tecniche di analisi avanzate, queste leghe promettono prestazioni migliorate in condizioni di usura severa, temperature estreme, radiazioni e stress elevato.
Produzione e proprietà delle HEAs
Le HEAs sono realizzate combinando diversi metalli elementari. Tradizionalmente, la produzione di HEAs attraverso la stampa 3D, o fabbricazione additiva (AM), risultava in una scarsa duttilità, rendendo questi materiali difficili da modellare e poco inclini a deformarsi sotto carico, aumentando così il rischio di fratture. Tuttavia, l’uso della fabbricazione additiva basata su laser ha permesso di formare HEAs molto più forti e duttili. Gli scienziati hanno utilizzato tecniche come la diffrazione di neutroni e raggi X e la microscopia elettronica per comprendere meglio i meccanismi dietro questi miglioramenti delle prestazioni.
Potenziali applicazioni industriali ed efficienza energetica
In futuro, l’industria potrebbe utilizzare HEAs più resistenti e facilmente modellabili nella produzione. Per essere impiegate in queste applicazioni, le parti leggere e complesse in HEA necessitano di una maggiore durabilità, affidabilità e resistenza alle fratture. Ciò porterebbe benefici ai consumatori e all’industria, ad esempio, consentendo la produzione di veicoli più sicuri e a risparmio energetico, prodotti più resistenti e macchinari più duraturi. Inoltre, la fabbricazione additiva basata su laser, che fonde polveri di leghe in forme solide di metallo, è altamente efficiente dal punto di vista energetico, rendendola attraente per la produzione di nuovi tipi di HEAs.
Struttura nano-lamellare e proprietà meccaniche
Il processo di AM basato su laser ha prodotto nano-lamelle, strati sottili di piastre, dello spessore di pochi nanometri, che offrono un’elevata resistenza, mentre i bordi distinti delle piastre permettono una certa scivolosità (duttilità). Le piastre sono composte da strati alternati di strutture cristalline a cubo a facce centrate (FCC) che hanno uno spessore medio di circa 150 nanometri e strutture cristalline a cubo centrato sul corpo (BCC) che hanno uno spessore medio di circa 65 nanometri.
Le nuove HEAs hanno mostrato elevate resistenze allo snervamento di circa 1.3 gigapascal, superando le leghe di titanio più forti. Queste HEAs offrono anche un’allungamento di circa il 14%, che è superiore ad altre leghe metalliche AM con la stessa resistenza allo snervamento. L’allungamento è una misura di quanto un materiale può piegarsi senza rompersi.
Tecniche di ricerca avanzate e strutture
I dati dei neutroni provenienti dalla Spallation Neutron Source, una struttura dell’Ufficio per la Scienza del Dipartimento dell’Energia (DOE) presso il Oak Ridge National Laboratory (ORNL), hanno permesso ai ricercatori di esaminare la condivisione del carico meccanico interno dei campioni di HEA mentre erano sotto sforzo.
Gli scienziati hanno utilizzato uno strumento di sonda atomica presso il Center for Nanophase Materials Sciences, anch’esso una struttura dell’Ufficio per la Scienza del DOE presso l’ORNL, per catturare immagini dettagliate in 3D delle composizioni e delle microstrutture, costituite da strati alternati di nano-lamelle.
Le fasi di diversi campioni trattati termicamente sono state studiate utilizzando la diffrazione dei raggi X presso l’Advanced Photon Source, un’altra struttura dell’Ufficio per la Scienza del DOE presso il Argonne National Laboratory.
