Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment
Il pretrattamento mediante macinazione ad alta energia modula efficacemente le proprietà meccaniche dei compositi Al0.8CoCrFeNi/Al affinando la dimensione del rinforzo e aumentando la densità delle dislocazioni, migliorando così significativamente il carico di snervamento e la resistenza a trazione ultima pur mantenendo una duttilità ragionevole.
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Nella ricerca incessante di materiali più leggeri e resistenti per tutto, dagli aeromobili ai veicoli elettrici, gli scienziati hanno da tempo rivolto lo sguardo all'alluminio. È un metallo che offre un eccellente equilibrio tra leggerezza e resistenza, ma per le applicazioni più esigenti ha bisogno di una spinta. Un modo promettente per dare all'alluminio questa spinta è mescolarlo con minuscole particelle di una classe speciale di metalli nota come leghe ad alta entropia. Queste non sono i tipici metalli; sono miscele complesse di diversi elementi che, quando combinati, creano un materiale incredibilmente tenace, resistente alla corrosione e capace di resistere al calore estremo. La sfida, tuttavia, risiede nell'unione di questi due materiali. Se le particelle della lega ad alta entropia sono troppo grandi o si aggregano, creano punti deboli nell'alluminio, causando il cedimento del prodotto finale sotto sforzo. L'obiettivo è disperdere queste particelle di rinforzo in modo così fine e uniforme in tutto l'alluminio da farle agire come uno scudo uniforme contro la deformazione, rafforzando il metallo senza renderlo fragile.
I ricercatori della Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer e dell'Istituto di Tecnologia di Harbin hanno affrontato questa sfida perfezionando un metodo chiamato metallurgia indotta da deformazione. Questo processo è essenzialmente un modo per forgiare il metallo partendo da una polvere senza fonderla, utilizzando intensa pressione e attrito per mescolare gli ingredienti in un blocco solido. Nel loro ultimo lavoro, pubblicato in un articolo di ricerca, il team ha introdotto un passaggio preliminare cruciale: un vigoroso pre-trattamento mediante macinazione a sfere ad alta energia. Immaginate un tamburo pesante pieno di sfere d'acciaio e una miscela di polveri di alluminio e di lega ad alta entropia. Mentre il tamburo ruota, le sfere si abbattono sulla polvere con una forza tremenda, frantumando le particelle, appiattendole e saldandole ripetutamente. I ricercatori volevano vedere quanto tempo avrebbero dovuto far ruotare questo tamburo per ottenere il risultato perfetto. Hanno testato diverse durate, che vanno dai quindici ai trenta ore, per osservare come la polvere cambiasse e come tali cambiamenti influenzassero la resistenza finale del composito di alluminio.
I risultati hanno rivelato una chiara storia di trasformazione. All'aumentare del tempo di macinazione, i grossi pezzi irregolari di lega ad alta entropia sono stati gradualmente frantumati in granelli molto più fini e uniformi. Inizialmente, le particelle erano relativamente grandi e distribuite in modo non uniforme, ma dopo venticinque ore di macinazione, erano state raffinate in grani equiassici minuscoli, di dimensioni inferiori a mezzo micrometro. Questa raffinazione non riguardava solo la dimensione; riguardava il modo in cui le particelle venivano incorporate all'interno dell'alluminio. L'intensa macinazione ha introdotto un numero enorme di difetti, noti come dislocazioni, nella struttura cristallina della polvere di alluminio. Questi difetti hanno agito come semi, incoraggiando l'alluminio a riorganizzare la sua struttura interna in un modello di grana più fine e robusto quando è stato successivamente forgiato in un blocco solido. I ricercatori hanno scoperto che più a lungo proseguiva la macinazione, più i grani di alluminio erano in grado di ricristallizzare in una disposizione stretta e uniforme, il che è essenziale per un materiale resistente.
Quando il team ha forgiato queste polveri pre-trattate in blocchi solidi, la differenza di prestazioni è stata netta. I compositi realizzati con polveri macinate per periodi più brevi mostravano segni di debolezza, con particelle più grandi che fungevano da punti di innesco per le crepe. Tuttavia, i campioni trattati per venticinque ore hanno mostrato una straordinaria combinazione di forza e flessibilità. Potevano resistere a una forza di 282 megapascal prima di iniziare a deformarsi permanentemente, e hanno retto fino a 341 megapascal prima di rompersi, pur allungandosi del 12,4 percento. Questo allungamento è significativo; significa che il materiale non si è frantumato come il vetro, ma si è piegato e allungato, assorbendo energia prima di cedere. Le superfici di frattura di questi campioni riusciti mostravano un pattern uniforme di minuscole fossette, indicando che il materiale si era allungato uniformemente invece di strapparsi in corrispondenza di punti deboli. Al contrario, i campioni realizzati con un tempo di macinazione inferiore mostravano particelle più grandi e irregolari che avevano innescato crepe precoci.
Lo studio conferma che il pre-trattamento tramite macinazione a sfere è uno strumento potente per personalizzare le proprietà di questi compositi avanzati. Regolando semplicemente la durata del processo di macinazione, i ricercatori sono stati in grado di controllare la dimensione delle particelle di rinforzo e la struttura interna della matrice di alluminio. Il traguardo delle venticinque ore è apparso come il punto ottimale nei loro esperimenti, dove le particelle erano abbastanza piccole da essere disperse perfettamente e la struttura dell'alluminio era sufficientemente raffinata per massimizzare la resistenza senza sacrificare troppo la duttilità. Questo approccio offre una via pratica per la creazione di materiali a base di alluminio che siano abbastanza leggeri per l'uso aerospaziale ma abbastanza resistenti da sopportare i rigori del volo. Il lavoro dimostra che, con la giusta preparazione, il potenziale delle leghe ad alta entropia nel rinforzare l'alluminio può essere pienamente realizzato, trasformando una miscela di polveri in un materiale capace di resistere alle estreme richieste dell'ingegneria moderna.
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