La lega di rame nanostrutturata eguaglia le superleghe in termini di resistenza e stabilità / Nanostructured Copper Alloy Matches Superalloys in Strength and Stability
La lega di rame nanostrutturata eguaglia le superleghe in termini di resistenza e stabilità / Nanostructured Copper Alloy Matches Superalloys in Strength and Stability
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Si tratta della lega Cu-Ta-Li più resistente finora conosciuta.
Un gruppo di ricercatori dell'Arizona State University, dell'US Army Research Laboratory, della Lehigh University e della Louisiana State University ha sviluppato una rivoluzionaria lega di rame ad alta temperatura con eccezionale stabilità termica e resistenza meccanica.
I risultati del gruppo di ricerca sulla nuova lega di rame, pubblicati sulla prestigiosa rivista Science, presentano una nuova lega nanocristallina Cu-3-Ta-0,5Li che mostra una notevole resistenza all'ingrossamento ed alla deformazione da creep, anche a temperature prossime al punto di fusione.
"Il nostro approccio alla progettazione delle leghe imita i meccanismi di rafforzamento riscontrati nelle superleghe a base di Ni", ha affermato Kiran Solanki, professore presso la Ira A. Fulton Schools of Engineering presso la School for Engineering of Matter, Transport and Energy e coautore dello studio.
Attualmente, le superleghe a base di nichel, note per la loro eccezionale resistenza, resistenza alla corrosione e stabilità alle alte temperature, sono il materiale principale utilizzato nelle applicazioni in cui queste proprietà sono fondamentali, come i componenti aerospaziali, i motori a turbina a gas e le apparecchiature per l'elaborazione chimica.
Nuovi materiali sono particolarmente necessari nei settori aerospaziale e della difesa: pensate alla forza, alla durevolezza ed alla resistenza al calore necessarie per il volo ad alta velocità o per l'impiego di armamenti. Ciò spinge la comunità di ricerca a continuare a spingere i confini delle tecnologie ad alto impatto.
"Dobbiamo pensare criticamente a cosa possiamo fare per risolvere i problemi di ingegneria in un modo più fuori dagli schemi", ha detto Solanki. "Alla fine della giornata, sono più curioso di ciò che non so".
I principali interessi di ricerca di Solanki indagano la struttura e le relazioni di proprietà dei materiali avanzati su più scale di lunghezza. Il suo obiettivo è produrre materiali avanzati e multifunzionali per applicazioni estreme, tra cui radiazioni, velocità elevata, fatica e prevenzione di deformazione lenta sotto stress meccanici o creep.
"Quando guardiamo dentro il nostro corpo, cerchiamo impronte digitali di mutazione cellulare per il cancro", ha detto Solanki. "Allo stesso modo, i materiali strutturali hanno un'impronta digitale unica quando sono sottoposti a qualsiasi evento come radiazioni o calore. Lasceranno dietro di sé un'impronta digitale che li fa fallire o non funzionare come dovrebbero".
La lega di nuova progettazione deve le sue proprietà superiori ad una struttura unica in nanoscala che presenta precipitati di rame e litio ordinati con precisione, circondati da un doppio strato atomico ricco di tantalio. L'aggiunta di esattamente mezzo percento di litio, né più né meno, al sistema Cu-Ta precedentemente immiscibile altera la morfologia del precipitato. Trasforma il precipitato sferico nel sistema Cu-Ta formando strutture cuboidali stabili che migliorano significativamente le prestazioni termiche e meccaniche.
"Ed in questo caso, avere un precipitato di rame e litio con un doppio strato stabile di Ta è il momento in cui possiamo alterare l'impronta digitale ad alta temperatura per il fallimento", ha detto Solanki. "Manipolando le impronte digitali, abbiamo sviluppato una lega di rame che mantiene la sua resistenza ed integrità strutturale anche dopo un'esposizione prolungata ad alte temperature".
I principali risultati della ricerca sulle superleghe di rame includono:
- Maggiore stabilità termica: la lega Cu-3Ta-0,5Li rimane stabile a 800 °C per oltre 10.000 ore, con una perdita minima del limite di snervamento.
- Resistenza alle alte temperature: la lega supera le prestazioni delle leghe di rame commerciali esistenti, raggiungendo un limite di snervamento di 1120 MPa a temperatura ambiente.
- Resistenza allo scorrimento superiore: il Cu-Ta-Li presenta una deformazione da scorrimento notevolmente inferiore rispetto alle leghe Cu-Ta convenzionali, il che lo rende ideale per ambienti ad alto stress ed ad alta temperatura.
La scoperta apre nuove strade per lo sviluppo di leghe di rame di prossima generazione per applicazioni nei settori aerospaziale, energetico e della difesa. I potenziali utilizzi includono scambiatori di calore, componenti elettrici ad alte prestazioni, armamenti e materiali strutturali che richiedono durata in condizioni estreme.
"Questa ricerca non solo fa progredire la nostra comprensione della progettazione delle leghe, ma apre anche la strada a materiali in grado di resistere ad ambienti estremi", ha affermato Kris Darling, un altro coautore dello studio dell'Army Research Laboratory. "La manipolazione delle impronte digitali tramite nanostrutturazione in lega potrebbe rivoluzionare il modo in cui affrontiamo lo sviluppo di materiali ad alta temperatura".
ENGLISH
This is the strongest Cu-Ta-Li alloy reported to date.
A team of researchers from Arizona State University, the U.S. Army Research Laboratory, Lehigh University and Louisiana State University has developed a groundbreaking high-temperature copper alloy with exceptional thermal stability and mechanical strength.
The research team’s findings on the new copper alloy, published in the prestigious journal Science, introduce a novel bulk Cu-3-Ta-0.5Li nanocrystalline alloy that exhibits remarkable resistance to coarsening and creep deformation, even at temperatures near its melting point.
“Our alloy design approach mimics the strengthening mechanisms found in Ni-based superalloys,” said Kiran Solanki, a professor at the Ira A. Fulton Schools of Engineering in the School for Engineering of Matter, Transport and Energy and a co-author of the study.
Currently, nickel-based superalloys, known for their exceptional strength, corrosion resistance and high-temperature stability, are the primary material used in applications where these properties are critical, such as aerospace components, gas turbine engines and chemical processing equipment.
New materials are especially needed throughout the aerospace and defense industries — think of the strength, durability and heat resistance needed for high-speed flight or deploy weaponry. This spurs the research community to continue to push the boundaries of high-impact technologies.
“We have to critically think about what we can do to solve engineering problem in a more outside-the-box way,” Solanki said. “At the end of the day, I'm more curious about what I don't know.”
Solanki's main research interests investigate the structure and property relationships of advanced materials across multiple length scales. His goal is to manufacture advanced, multifunctional materials for extreme applications including radiation, high rate, fatigue and prevention of slow deformation under mechanical stresses, or creep.
“When we look inside our body, we try to look for fingerprints of cell mutation for cancer,” Solanki said. “Similarly, structural materials have a unique fingerprint when they are subjected to any event like radiation or heat. They will leave behind a fingerprint which causes them to fail or not to perform the way they should perform.”
The newly engineered alloy owes its superior properties to a unique nanoscale structure featuring precisely ordered copper lithium precipitates surrounded by a tantalum-rich atomic bilayer. The addition of precisely half a percent of lithium — no more, no less — to the previously immiscible Cu-Ta system alters the precipitate morphology. It changes the sphere-like precipitate in Cu-Ta system into forming stable cuboidal structures that significantly enhance thermal and mechanical performance.
“And in this case, having a copper lithium precipitate with a stable bilayer of Ta is when we can alter high temperature fingerprint for failure,” Solanki said. “By manipulating fingerprints, we have developed a copper alloy that maintains its strength and structural integrity even after prolonged exposure to high temperatures.”
Key findings from the copper superalloy research include:
- Enhanced thermal stability: The Cu-3Ta-0.5Li alloy remains stable at 800 degrees C for over 10,000 hours, with minimal loss in yield strength.
- High-temperature strength: The alloy outperforms existing commercial copper alloys, achieving a yield strength of 1120 MPa at room temperature.
- Superior creep resistance: Cu-Ta-Li exhibits significantly lower creep deformation compared to conventional Cu-Ta alloys, making it ideal for high-stress, high-temperature environments.
The discovery opens new avenues for the development of next-generation copper alloys for applications in aerospace, energy and defense industries. Potential uses include heat exchangers, high-performance electrical components, weaponry and structural materials requiring durability in extreme conditions.
“This research not only advances our understanding of alloy design but also paves the way for materials that can withstand extreme environments,” said Kris Darling, another Army Research Laboratory co-author of the study. “The manipulation of fingerprints through nanostructuring in alloy could revolutionize the way we approach high-temperature material development.”
Da:
https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/nanostructured-copper-alloy-matches-superalloys-in-strength-and-stability-397899?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Informatics&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz-9figPZT6H-7x7_IgYE_ZeqwV_AoNOMTIQuDtuXhUbvz2vd0EZdA2BJRPo-XiJ0IaMIbXMyKREQX7dhT7U2pMdY66w0sbVkW7kiqXXTJs2ARZD1kuc&_hsmi=355056246&utm_content=355056246&utm_source=hs_email
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