3D

Una nuova lega metallica ad alte prestazioni, chiamata superlega, potrebbe contribuire ad aumentare l’efficienza delle turbine utilizzate nelle centrali elettriche e nelle industrie aerospaziale e automobilistica.

Creata utilizzando una stampante 3D, la superlega è composta da una miscela di sei elementi che insieme formano un materiale che è allo stesso tempo più leggero e più resistente dei materiali standard utilizzati nelle turbine convenzionali. La forte superlega potrebbe aiutare le industrie a ridurre sia i costi che le emissioni di carbonio, se l’approccio può essere ampliato con successo.

La sfida: Nel mondo della scienza dei materiali, negli ultimi anni la ricerca di nuove leghe metalliche si è intensificata. Per oltre un secolo dipendiamo da leghe relativamente semplici come l'acciaio, composto per il 98% da ferro, per costituire la spina dorsale delle nostre industrie manifatturiere ed edilizie. Ma le sfide odierne richiedono di più: leghe in grado di resistere a temperature più elevate e rimanere resistenti sotto stress, pur essendo leggere.

Gli ingegneri hanno cercato a lungo di ottimizzare i materiali utilizzati nelle turbine, i macchinari rotanti nelle centrali elettriche che aiutano a convertire l’energia meccanica in elettricità. Ma anche i materiali più all’avanguardia, come le superleghe a base di nichel e cobalto, tendono a degradarsi e a peggiorare le prestazioni se esposti a temperature estremamente elevate.

Questo è uno dei motivi per cui gli scienziati hanno trascorso gli ultimi due decenni a sperimentare leghe complesse, alcune costituite da un massimo di sei metalli diversi. Modificando le proporzioni esatte degli elementi che compongono una superlega, gli scienziati sperano che si verifichino nuove interazioni su scala atomica, portando alla scoperta di proprietà benefiche. Tuttavia, con una combinazione quasi infinita di elementi in proporzioni diverse, l’ottimizzazione di queste leghe per applicazioni specifiche rappresenta una sfida significativa.

L'innovazione : Un approccio promettente è l’uso della tecnologia di stampa 3D. Questo metodo consente ai ricercatori di controllare con precisione le proporzioni relative dei diversi metalli. Ottengono questo risultato fondendo rapidamente i metalli in una forma solida e in polvere utilizzando un potente laser e quindi depositandoli in strati sottili.

Un team di ricercatori guidati da Andrew Kustas dei Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, ha utilizzato questa tecnica per sviluppare una superlega a sei elementi ad alte prestazioni. La lega, composta da 42% alluminio, 25% titanio, 13% niobio, 8% zirconio, 8% molibdeno e 4% tantalio, è forte, leggera e incredibilmente resistente al calore.

Queste caratteristiche sono particolarmente importanti per le turbine utilizzate nelle centrali elettriche, che rappresentano circa il 73% di tutta la produzione di elettricità a livello mondiale. Dopotutto, maggiore è la temperatura del gas che aziona le turbine, più velocemente girano e più diventano efficienti.

Quando riscaldata a 800°C (1472°F) – una temperatura comune nelle turbine delle centrali elettriche – questa superlega è rimasta più forte e più leggera di molte altre progettate per uno scopo simile. Questa innovazione suggerisce potenziali applicazioni oltre le turbine di potenza, in particolare nel settore aerospaziale dove i materiali devono essere resistenti, leggeri e resistenti alle variazioni estreme di temperatura.

I ricercatori hanno anche scoperto che le prestazioni della superlega erano correlate con le previsioni generate da un modello computerizzato progettato per prevedere come particolari combinazioni di elementi avrebbero condotto l’energia termica. Tali previsioni suggeriscono che i futuri modelli computerizzati potrebbero essere in grado di aiutare a prevedere quali combinazioni di elementi potrebbero dar luogo a superleghe nuove e utili.

Per portare la superlega creata di recente nella produzione tradizionale, il team spera di trovare un modo per aumentare economicamente il processo di stampa 3D garantendo al tempo stesso che i prodotti finiti non contengano crepe su scala microscopica, cosa che potrebbe rivelarsi difficile da realizzare su scala più ampia. . Superare queste sfide potrebbe contribuire a rendere le macchine che alimentano la nostra vita quotidiana più forti, più efficienti e meno dannose per l’ambiente.