Aliaje nanostructurate pentru medii criogenice extreme
Materialele metalice folosite în medii extrem de reci trebuie să îmbine rezistența ridicată, ductilitatea și tenacitatea la rupere pentru aplicații în aerospațial, energie curată, sisteme superconductoare și explorarea spațiului îndepărtat. Aliajele tradiționale își pierd însă performanțele la temperaturi ultracriogenice din cauza compromisului dintre rezistență, ductilitate și tenacitate: metalele pot deveni mai rezistente la rece, dar și mai casante. Fenomenul, cunoscut drept „casanticitate la rece”, rămâne un obstacol pentru tehnologiile de explorare a adâncurilor și a spațiului cosmic.
O echipă condusă de Zibin Chen, profesor asistent în Departamentul de Inginerie Industrială și de Sisteme al Universității Politehnice din Hong Kong, a obținut două rezultate în acest domeniu. Prin ajustarea microstructurii interne a metalului la scară nanometrică, cercetătorii au dezvoltat materiale care ating o combinație fără precedent de rezistență, ductilitate și tenacitate la 77 K, adică aproximativ −196°C. Cele două studii au fost publicate succesiv în Nature Communications.
Interfețele cu curbură negativă
Pentru a aborda casanticitatea la rece, echipa a propus strategia „interfețelor cu curbură negativă” (NCI). Modificând geometria suprafeței particulelor nanometrice din interiorul aliajului, materialul poate suporta sarcini mari păstrându-și capacitatea de deformare, ceea ce reduce probabilitatea unei ruperi brusce. În paralel, echipa a proiectat o arhitectură de nanoordonări ierarhice (HNOs) într-un aliaj cu granulație ultrafină pe bază de NiCoCr.
Aliajul cu multiple elemente principale (MPEA) rezultat, compus din nichel, cobalt, crom, aluminiu și tantal (NiCoCr-AlTa), poate fi fabricat prin topire, laminare și îmbătrânire de scurtă durată, fără metode noi complexe, ceea ce susține producția la scară largă. La temperaturi criogenice, materialul atinge o limită de curgere de aproximativ 1,30 GPa, o rezistență la tracțiune de aproximativ 1,80 GPa, o ductilitate la tracțiune de 50% și o tenacitate la rupere de circa 213 MPa·m¹/².
Chen a declarat că strategia NCI transformă precipitatele interne din întăritori pasivi în agenți activi care reglează deformarea materialului sub sarcină, un concept aplicabil tuturor sistemelor de aliaje întărite prin precipitare, inclusiv superaliajelor, oțelurilor întărite prin îmbătrânire și aliajelor de aluminiu. Echipa urmează să valideze mostre la scară industrială, cu obiectivul de a transpune cercetarea în aplicații comerciale în următorii zece ani.
Imprimarea 3D și nanoordonările ierarhice
Într-un al doilea studiu, echipa a combinat fabricația aditivă cu post-procesări adaptate pentru a construi o arhitectură de nanoordonări ierarhice într-un aliaj pe bază de NiCoCr. Strategia activează secvențial sursele de dislocații, permițând întărirea cooperativă la deformare, astfel încât materialul devine mai rezistent pe măsură ce se deformează.
La temperaturi criogenice, aliajul obține o limită de curgere de aproximativ 2,0 GPa, o rezistență la tracțiune de aproximativ 2,4 GPa și o ductilitate uniformă la tracțiune de 22%. Echipa vizează validarea unor componente la scară industrială și implementarea comercială în următorii cinci ani.
Chen a explicat că abordarea oferă un cadru viabil pentru proiectarea microstructurii și pentru maximizarea performanțelor mecanice, extinzând totodată aplicațiile imprimării 3D în știința materialelor.
