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A novel process for manufacturing complex shaped Fe-Al intermetallic parts resistant to extreme environments

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I materiali innovativi e convenienti possono sostituire l’acciaio inossidabile

I ricercatori sono impegnati a sviluppare una nuova generazione di materiali che potrebbero sostituire alcune materie prime essenziali e surclassare l’acciaio inossidabile.

Tecnologie industriali

I nuovi materiali intermetallici potrebbero sostituire l’acciaio inossidabile in molti importanti prodotti industriali, in particolare nell’impiego in condizioni estreme dove devono resistere all’usura e alla corrosione. Gli intermetallici di ferro-alluminio esistenti combinano le proprietà dei metalli e della ceramica, ma sono difficili da tradurre in prodotti reali in quanto non sono così duttili come l’acciaio inossidabile o facilmente lavorabili a macchina o saldabili rispetto ad altri metalli. «Vogliamo che questi nuovi materiali abbiano le proprietà degli intermetallici tradizionali, ovvero elevata durezza, densità relativamente bassa e alta resistenza alla corrosione e all’erosione, fornendo al contempo però alcune nuove proprietà», spiega il coordinatore del progetto, Costas Charitidis, professore di ingegneria chimica al Politecnico nazionale di Atene. «Se sono meno fragili e possono essere completamente o parzialmente saldabili, possono sostituire perfettamente l’acciaio inossidabile altamente duttile, ma essendo più duri e leggeri sarebbero migliori», spiega Charitidis. Nell’ambito del progetto EQUINOX sono stati sviluppati nuovi materiali. Il team ha costruito un preformato poroso, come una spugna, che è stato poi imbevuto di alluminio liquido o fusioni ferro-alluminio. Questi metalli sono più abbondanti e meno costosi del cromo, una materia prima essenziale e strategica per l’Europa, impiegato nell’acciaio inossidabile. «Un altro passo avanti è che siamo in grado di lavorare questi nuovi materiali intermetallici. Possiamo anche realizzare stampi per produrre preformati in ferro che imiterebbero la forma della parte finale», spiega Panagiotis Kavouras, ricercatore senior presso il Politecnico di Atene. «Con questo processo, siamo riusciti a creare materiali sfusi a forma complessa, non solo barre o cilindri».

Dimostratori

Sono stati costruiti due diversi dimostratori, adattati per applicazioni specifiche. Uno era un piccolo disco freno per auto e l’altro un elemento per un motore a razzo a propellente liquido. «Si tratta di applicazioni reali per i nuovi materiali intermetallici che abbiamo sviluppato», prosegue Charitidis. Il freno dell’auto è stato testato in un ambiente simulato ed è stato inoltre sottoposto a prove di corrosione in nebbia salina nell’ambito della procedura standard per testare la resistenza alla corrosione. La parte del motore a razzo a propellente liquido è stata testata per l’erosione. Sono state depositate le domande di brevetto per i due nuovi processi, uno per il percorso di produzione dei dischi freno auto e un diverso processo per la parte a lama del motore a razzo. «Questi risultati dimostrano che il processo EQUINOX ha un alto potenziale, che porterà a prodotti industriali veri e propri», osserva Kavouras. «Anche se il progetto ha iniziato ad avvicinarsi al livello della ricerca fondamentale, abbiamo applicato non solo prove in laboratorio, ma anche prove di laboratorio industriali», spiega Kavouras. «Non siamo ancora su scala industriale. Ma siamo vicini alla prova pilota, che è un grande passo avanti».

Una grande sfida

«Negli ultimi mesi del progetto siamo riusciti a produrre un materiale intermetallico altamente duttile, quindi abbiamo la prova che il processo EQUINOX può portare a una vera e propria svolta», aggiunge. Una delle principali sfide nelle fasi iniziali era lo studio di molti tipi diversi di preformati porosi e tipi di fusioni a temperature diverse. Le oltre 2 000 combinazioni di parametri diversi sono state ridotte a poche decine di opzioni per prove ed errori sperimentali, utilizzando complessi esperimenti di modellazione e simulazione. «La modellazione e la simulazione sono state assolutamente vitali per il successo del progetto. Queste fasi di simulazione ci hanno risparmiato molti anni di complesse sperimentazioni», conclude Kavouras.

Parole chiave

EQUINOX, cromo, acciaio inossidabile, intermetalli, ferro, alluminio, freno auto, materiali

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