Oggi gli scienziati dei materiali sono in grado di rimodellare la struttura interna di alcune leghe su scala estremamente ridotta, consentendo loro di migliorarne proprietà come resistenza, durata e flessibilità. Un gruppo di materiali particolarmente promettente è quello degli intermetallici.
I materiali intermetallici sono solidi costituiti da due o più elementi metallici disposti in una struttura cristallina altamente ordinata. La loro insolita organizzazione atomica conferisce loro una resistenza eccezionale, elevate temperature di fusione e una forte resistenza allo scorrimento viscoso (creep), ovvero la lenta deformazione di un materiale sottoposta a calore e sollecitazioni prolungati.
Queste caratteristiche rendono i materiali intermetallici preziosi per tecnologie esigenti, tra cui motori a reazione, turbine a gas, sistemi di accumulo di energia e componenti automobilistici. Tuttavia, molti di questi materiali presentano un grave punto debole: tendono ad essere estremamente fragili.
Rendere più flessibile un materiale resistente ma fragile
In una ricerca pubblicata su Science Advances, gli ingegneri della Purdue University hanno dimostrato un nuovo metodo per combinare un’elevatissima resistenza con una notevole plasticità nei composti intermetallici di cobalto e alluminio (CoAl).
La plasticità si riferisce alla capacità di un materiale di cambiare forma in modo permanente senza incrinarsi o rompersi. Per le applicazioni industriali, questo è importante perché un materiale che non si deforma è difficile da modellare in componenti complessi e può fratturarsi improvvisamente sotto sforzo.
Xinghang Zhang, professore presso la Scuola di Ingegneria dei Materiali della Purdue University, è l’autore corrispondente dell’articolo, intitolato “Plasticità negli intermetallici fragili resa possibile dalla struttura di interfacce amorfe e dislocazioni preesistenti”. Tra gli altri collaboratori della Purdue figurano Haiyan Wang, professore di ingegneria dei materiali titolare della cattedra Basil S. Turner e docente presso la Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering, e Ke Xu, ricercatore post-dottorato in ingegneria dei materiali e primo autore.
“I composti intermetallici CoAl in massa sono composti ad alta resistenza”, ha affermato Zhang. “Tra le varie applicazioni, potrebbero essere potenzialmente utilizzati nei materiali di nuova generazione per le pale delle turbine dei motori aeronautici, ovvero i motori a turbina a gas che generano la spinta per la propulsione degli aeromobili. Le leghe CoAl ad alta resistenza e deformabili plasticamente potrebbero consentire a un motore o a un turbocompressore di girare più velocemente mantenendo una maggiore forza centrifuga, migliorandone le prestazioni.”
Come molti composti intermetallici, il CoAl in massa è particolarmente fragile a temperatura ambiente. Conferirgli maggiore plasticità potrebbe facilitarne la produzione e consentire agli ingegneri di creare strutture più sofisticate per motori e altri sistemi ad alte prestazioni.
“In questo studio, dimostriamo che il CoAl può esibire una notevole plasticità a temperatura ambiente, offrendo un nuovo approccio alternativo per migliorare la capacità di deformazione plastica del CoAl”, ha affermato Xu.
I difetti atomici diventano un vantaggio
I precedenti tentativi di migliorare la plasticità del CoAl si sono concentrati sulla modifica della sua composizione, sulla regolazione della sua microstruttura o sulla sua combinazione con altri materiali. Questi approcci hanno prodotto risultati limitati perché non hanno creato un numero sufficiente di dislocazioni ad alta densità all’interno dell’intermetallico.
Le dislocazioni sono irregolarità microscopiche in un cristallo in cui gli atomi non sono più allineati secondo uno schema perfettamente ordinato. Sebbene il termine “difetto” possa suggerire una debolezza, le dislocazioni possono aiutare i metalli a deformarsi sotto forze estreme anziché rompersi.
Affinché il CoAl diventi plastico a temperatura ambiente, il materiale necessita di un gran numero di queste dislocazioni.
“Abbiamo introdotto direttamente dislocazioni nel CoAl durante la deposizione per sputtering“, ha affermato Zhang. “Ancora più importante, abbiamo progettato la struttura delle interfacce amorfe (FAI), ovvero confini flessibili nei materiali per garantire flessibilità strutturale, che cristallizzano parzialmente durante la deformazione e promuovono la nucleazione delle dislocazioni negli intermetallici di CoAl.”
La struttura delle interfacce amorfe è costituita da confini interni flessibili che inizialmente non presentano la stessa struttura cristallina ordinata del materiale circostante. Quando il CoAl si deforma, parti di queste interfacce cristallizzano e contribuiscono a generare nuove dislocazioni.
Fino a 10 volte più resistente dell’acciaio strutturale.
La combinazione di dislocazioni introdotte durante la fabbricazione e la struttura delle interfacce amorfe ha prodotto un intermetallico CoAl eccezionalmente resistente.
I test hanno dimostrato che il materiale ha raggiunto una resistenza allo snervamento di 6 GPa (gigapascal, un’unità di misura della sollecitazione). Questo valore è circa sei-dieci volte superiore alla resistenza allo snervamento dell’acciaio strutturale ad alta resistenza.
Il limite di snervamento descrive la quantità di sollecitazione che un materiale può sopportare prima di iniziare a deformarsi in modo permanente. Nonostante la sua estrema resistenza, il materiale CoAl ha anche subito una deformazione plastica del 15% sotto compressione a temperatura ambiente.
“Questa combinazione di altissima resistenza meccanica e straordinaria plasticità rende l’attuale sistema di nanolaminati CoAl uno dei migliori sistemi intermetallici finora riportati”, ha affermato Xu.
Un metodo diverso per la produzione di composti intermetallici
I ricercatori hanno prodotto il materiale utilizzando la deposizione per sputtering magnetronico, un processo che applica un film sottile su una superficie. Questo metodo di fabbricazione in condizioni di non equilibrio ha permesso loro di creare CoAl con interfacce binarie di alluminio e cobalto amorfo.
Questo approccio è molto diverso dalla tradizionale fusione dei metalli (da liquido a solido), che parte da materiale fuso e lo lascia raffreddare fino a solidificarsi.
Al contrario, la deposizione mediante sputtering magnetron crea il materiale a partire da vapore di lega. Questo processo ha permesso ai ricercatori di introdurre molte più dislocazioni nel CoAl rispetto a quanto consentito dalla fusione convenzionale.
“Questo approccio di fabbricazione in condizioni di non equilibrio ci consente di realizzare materiali passando dal vapore della lega allo stato solido, introducendo un numero significativo di dislocazioni nel CoAl”, ha affermato Zhang. “Siamo stati in grado di ottenere una notevole resistenza e plasticità nel CoAl, risultati irraggiungibili con i metodi di fusione tradizionali.”
Osservare la deformazione del materiale
Per misurare le prestazioni meccaniche (resistenza e plasticità) degli intermetallici CoAl, il team ha condotto test meccanici in situ all’interno di un microscopio elettronico a scansione.
Questo metodo ha permesso ai ricercatori di osservare il materiale durante la sua deformazione e di monitorarne il comportamento con precisione micrometrica.
Anche la professoressa Yashashree Kulkarni e il suo dottorando Anand Mathew dell’Università di Houston hanno contribuito al progetto. Hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per esaminare i processi che avvengono all’interno del CoAl a livello atomico.
Le simulazioni hanno mostrato che le strutture delle interfacce amorfe si cristallizzano durante la deformazione. Hanno anche rivelato dislocazioni che si spostano dalle interfacce degli strati verso gli strati circostanti di CoAl, contribuendo a spiegare come il materiale possa deformarsi senza fratturarsi rapidamente.
Scalatura del metallo per uso industriale
Gli esperimenti hanno dimostrato che interfacce tra strati appositamente progettate possono migliorare sostanzialmente la deformabilità plastica del CoAl. I ricercatori cercheranno ora di applicare lo stesso concetto ai nanocompositi di CoAl in massa, che potrebbero essere prodotti per applicazioni su scala industriale.
“Testeremo il concetto anche utilizzando altri intermetallici, con l’obiettivo di stabilire l’applicabilità generale dei FAI per migliorare la plasticità in questa classe di metalli”, ha affermato Xu.
La prossima fase della ricerca sarà guidata dal gruppo Nanometal di Zhang. Il gruppo combina la sintesi dei materiali, i test nanomeccanici in situ e l’analisi avanzata della microstruttura a livello atomico per sviluppare materiali metallici che siano al contempo resistenti e deformabili.
La ricerca di Zhang si estende anche alla sintesi di nanomateriali, ai danni da radiazioni nei materiali nanostrutturati, al comportamento meccanico dei metalli nanostrutturati e ai materiali funzionali.
Possibili applicazioni nei settori aerospaziale ed energetico.
I risultati potrebbero avere importanti conseguenze per diversi settori della tecnologia avanzata. Intermetallici più resistenti e duttili potrebbero favorire lo sviluppo di pale per turbine, motori aeronautici, sistemi energetici, tecnologie di difesa e materiali progettati per l’impiego nello spazio di qualità superiore.
“I composti intermetallici duttili potenzieranno significativamente le nostre capacità di progettazione di materiali avanzati per applicazioni aerospaziali e spaziali, energetiche e di difesa”, ha affermato Zhang.
Il finanziamento per questa ricerca è stato fornito principalmente dal programma Metalli e nanostrutture metalliche della National Science Foundation.
Abstract
I materiali intermetallici sono molto interessanti per la loro eccezionale resistenza e gli elevati punti di fusione, offrendo un potenziale significativo come materiali strutturali avanzati. Tuttavia, la loro intrinseca fragilità a temperatura ambiente limita fortemente le applicazioni pratiche. In questo lavoro, introduciamo una struttura a reticolo di interfacce amorfe (FAI) e dislocazioni preesistenti in intermetallici nanocristallini (NC) di CoAl per migliorare sinergicamente sia la resistenza che la plasticità. I test di compressione su micropilastri rivelano un’elevata resistenza allo snervamento superiore a 6 gigapascal, un incrudimento sostenuto fino a circa 8,5 gigapascal e una deformazione plastica a compressione superiore al 15%. Le FAI accomodano la deformazione plastica dei grani di NC CoAl, prevenendo la frattura intergranulare e promuovendo al contempo l’emissione e la propagazione delle dislocazioni nel CoAl attraverso la cristallizzazione indotta dalla deformazione. Le simulazioni di dinamica molecolare (MD) confermano che le dislocazioni vengono emesse da regioni cristallizzate (motivi locali simili a BCC) e rivelano che le dislocazioni preesistenti ostacolano il movimento delle dislocazioni tramite interazioni e moltiplicazione, favorendone l’accumulo. Insieme, questi meccanismi consentono un maggiore incrudimento e un’elevata plasticità. Questa strategia offre un approccio per ottenere plasticità a temperatura ambiente in materiali fragili, che spesso mostrano un’attività di dislocazione limitata.
Materiale fornito dalla Purdue University . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Ke Xu, Anand Mathew, Zhongxia Shang, Debargha Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashashree Kulkarni, Xinghang Zhang. Plasticity in brittle intermetallics enabled by framework of amorphous interfaces and preexisting dislocations. Science Advances, 2026; 12 (25) DOI: 10.1126/sciadv.aeb0766
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