Una nuova lega metallica resiste a condizioni estreme
Un'occasione per un salto tecnologico
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Un nuovo materiale potrebbe contribuire a ridurre in futuro i combustibili fossili consumati dai motori degli aerei e dalle turbine a gas. Un team di ricerca dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) ha sviluppato una lega refrattaria a base di metalli con proprietà finora ineguagliate. La nuova combinazione di cromo, molibdeno e silicio è duttile a temperatura ambiente. Con una temperatura di fusione di circa 2.000 gradi Celsius, rimane stabile anche alle alte temperature ed è allo stesso tempo resistente all'ossidazione. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista "Nature".
I materiali metallici resistenti alle alte temperature sono necessari per i motori degli aerei, le turbine a gas, le unità a raggi X e molte altre applicazioni tecniche. I metalli refrattari come il tungsteno, il molibdeno e il cromo, il cui punto di fusione si aggira o supera i 2.000 gradi Celsius, possono essere i più resistenti alle alte temperature. La loro applicazione pratica, tuttavia, presenta dei limiti: Sono fragili a temperatura ambiente e, a contatto con l'ossigeno, iniziano a ossidarsi causando guasti in breve tempo già a temperature comprese tra 600 e 700 gradi Celsius. Pertanto, possono essere utilizzati solo in condizioni di vuoto tecnicamente complesse, ad esempio come anodi rotanti per raggi X.
A causa di queste sfide, le superleghe a base di nichel sono state utilizzate per decenni in componenti esposti all'aria o ai gas di combustione ad alte temperature. Sono utilizzate, ad esempio, come materiali standard per le turbine a gas. "Le superleghe esistenti sono composte da molti elementi metallici diversi, compresi quelli raramente disponibili, in modo da combinare diverse proprietà. Sono duttili a temperatura ambiente, stabili alle alte temperature e resistenti all'ossidazione", spiega il professor Martin Heilmaier dell'Institute for Applied Materials - Materials Science and Engineering del KIT. "Tuttavia - e qui sta il problema - le temperature di esercizio, cioè le temperature a cui possono essere utilizzati in modo sicuro, sono nell'intervallo fino a 1.100 gradi Celsius al massimo. Si tratta di una temperatura troppo bassa per sfruttare appieno il potenziale di maggiore efficienza nelle turbine o in altre applicazioni ad alta temperatura. Il fatto è che l'efficienza dei processi di combustione aumenta con la temperatura".
La possibilità di un salto tecnologico
Questa limitazione dei materiali oggi disponibili è stata il punto di partenza del gruppo di lavoro di Heilmaier. Nell'ambito del gruppo di ricerca "Materials Compounds from Composite Materials for Applications in Extreme Conditions" (MatCom-ComMat), finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG), i ricercatori sono riusciti a sviluppare una nuova lega composta da cromo, molibdeno e silicio. Questa lega refrattaria a base di metalli, nella cui scoperta ha avuto un ruolo fondamentale il dottor Alexander Kauffmann, oggi professore all'Università della Ruhr di Bochum, presenta proprietà finora ineguagliate. "È duttile a temperatura ambiente, il suo punto di fusione è di circa 2.000 gradi Celsius e, a differenza delle leghe refrattarie finora conosciute, si ossida solo lentamente, anche nell'intervallo di temperatura critico. Ciò alimenta la visione di poter realizzare componenti adatti a temperature di esercizio sostanzialmente superiori a 1.100 gradi Celsius. Il risultato della nostra ricerca ha quindi il potenziale per consentire un vero e proprio salto tecnologico", afferma Kauffmann. Si tratta di un risultato particolarmente significativo, poiché la resistenza all'ossidazione e la duttilità non possono ancora essere previste in modo sufficiente per consentire una progettazione mirata dei materiali, nonostante i grandi progressi compiuti nello sviluppo dei materiali assistito dal computer.
Più efficienza, meno consumi
"In una turbina, anche un aumento di temperatura di soli 100 gradi Celsius può ridurre il consumo di carburante di circa il cinque per cento", spiega Heilmaier. Questo aspetto è particolarmente rilevante per l'aviazione, poiché nei prossimi decenni gli aerei alimentati a elettricità difficilmente saranno adatti ai voli a lungo raggio. Pertanto, una riduzione significativa del consumo di carburante sarà una questione vitale. Anche le turbine a gas stazionarie delle centrali elettriche potrebbero funzionare con minori emissioni di CO₂ grazie a materiali più robusti. Per poter utilizzare la lega a livello industriale, sono necessarie molte altre fasi di sviluppo", afferma Heilmaier. "Tuttavia, con la nostra scoperta nella ricerca fondamentale, abbiamo raggiunto un'importante pietra miliare. I gruppi di ricerca di tutto il mondo possono ora basarsi su questo risultato".
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Pubblicazione originale
Frauke Hinrichs, Georg Winkens, Lena Katharina Kramer, Gabriely Falcão, Ewa M. Hahn, Daniel Schliephake, Michael Konrad Eusterholz, Sandipan Sen, Mathias Christian Galetz, Haruyuki Inui, Alexander Kauffmann, Martin Heilmaier; "A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation"; Nature, Volume 646, 2025-10-8