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Nuove superleghe per motori a reazione ad alta efficienza

Potendo sopportare il forte calore generato dai motori a reazione, con il quale altri metalli subirebbero dei danni, le superleghe rappresentano materiali con super poteri che rendono possibile il volo. Gli scienziati finanziati dall’UE hanno studiato una nuova generazione di superleghe a base di nichel che dovrebbe consentire un aumento della temperatura di funzionamento del motore e, quindi, offrirebbe efficienza.
Nuove superleghe per motori a reazione ad alta efficienza
Le temperature presenti all’interno dei motori aeronautici possono superare il punto di fusione dei metalli, eppure questi non si fondono grazie alle eccellenti proprietà di alcuni materiali. Combinando resistenza meccanica, resistenza alla deformazione termica per scorrimento viscoso, buona stabilità superficiale e resistenza a corrosione o ossidazione, le superleghe sono tipicamente definite come leghe progettate per le temperature elevate.

Come tutti gli altri materiali, le proprietà delle superleghe sono fortemente influenzate dalla loro mircrostruttura, che a sua volta è determinata dalla loro composizione e trasformazione. Con il progetto NECTAR (New generation of NiAl-based eutectic composites with tuneable properties), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno condotto ulteriori studi sui materiali compositi a base di superleghe in alluminuro di nichel (NiAl) per unire termodinamica computazionale allo stato dell’arte e concetti di progettazione ed elaborazione avanzati.

Nel punto eutettico, i vari componenti di una miscela sono caratterizzati da diverse fasi (fase liquida, fase alfa e fase beta) in cui vi è un equilibrio. L’attenzione è stata posta sulle composizioni di una miscela contenente quattro componenti come per esempio nichel, alluminio, cromo, tungsteno, renio e vanadio. Dopo aver raccolto tutte le informazioni sperimentali sui diagrammi di fase quaternari e le proprietà termodinamiche di ciascuna fase, gli scienziati hanno creato database termodinamici per le tre fasi dei diversi sistemi quaternari possibili.

Successivamente alla selezione di due sistemi eutettici, il team ha sviluppato mappe strutturali e definito la composizione delle fasi. Sono stati sviluppati modelli di diffusione e a campo di fase per modellizzare il processo di solidificazione delle leghe eutettiche. Inoltre, gli scienziati hanno modellizzato caratteristiche quali microstruttura, morfologia della crescita, regolarità ed uniformità dei sistemi eutettici.

È stata descritta la dipendenza dalla temperatura in relazione alle proprietà meccaniche, e in funzione di frazione volumetrica relativa a fase di rinforzo, tenacità alla frattura, meccanismi di guasto e caratteristiche di scorrimento viscoso dei sistemi eutettici. È stato rilevato che le leghe con percentuale in volume di fibra inferiore vantano una migliore resistenza e resistenza allo scorrimento, mentre le leghe con percentuale di volume maggiore dimostrano di essere più duttili e hanno una migliore resistenza alla frattura.

Il progetto NECTAR mira a una nuova generazione di materiali compositi a base di NiAl, con proprietà regolabili, aventi prestazioni migliori rispetto alle attuali leghe a base di nichel, le quali possono sopportare temperature superiori a 1 150 °C, tipicamente raggiunte dai motori a reazione.

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Keywords

Superleghe, motori a reazione, NECTAR, eutettico, alluminuro di nichel, termodinamica