Un nuovo metodo di trattamento termico affina la struttura dei grani metallici. / New heat treatment method refines metal grain structure

Un nuovo metodo di trattamento termico affina la struttura dei grani metallici. / New heat treatment method refines metal grain structure

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli scienziati dell'Università di Birmingham hanno sviluppato un approccio ai materiali ed ai processi che potrebbe aiutare gli ingegneri a creare materiali più resistenti ed affidabili per i reattori a fusione ed i componenti aerospaziali di prossima generazione.

I ricercatori, in collaborazione con partner dell'Autorità britannica per l'energia atomica (UKAEA), della TU Bergakademie Freiberg in Germania e della City University di Hong Kong, hanno identificato un meccanismo chiamato ricristallizzazione indotta da precipitazione (PIX) che consente ai metalli di affinare la propria struttura interna durante il trattamento termico senza ricorrere alla lavorazione meccanica convenzionale.

Il lavoro, descritto in dettaglio su  Nature Communications Materials  e  Scripta Materialia, dimostra la presenza di PIX in una lega di titanio-ferro-molibdeno rilevante per le applicazioni aerospaziali ed in una lega di tungsteno-cromo rilevante per i sistemi di energia da fusione.

I ricercatori hanno scoperto che in entrambi i materiali, durante il trattamento termico si formano minuscole regioni con strutture atomiche diverse, ma simmetricamente correlate. La discrepanza che si crea tra queste regioni genera una tensione interna sufficientemente forte da creare nuovi grani più piccoli all'interno del metallo senza doverlo prima laminare, forgiare o deformare meccanicamente.

In una dichiarazione, la responsabile del progetto Sandy Knowles, professoressa di materiali nucleari presso l' Università di Birmingham, ha affermato: "La nostra scoperta mette in discussione la comprensione convenzionale secondo cui l'affinamento dei grani richiede in genere un'estesa lavorazione termomeccanica. Dimostriamo che il meccanismo PIX può essere utilizzato per affinare la struttura dei grani in diversi sistemi di materiali."

"Possiamo progettare leghe in cui la deformazione si genera internamente durante il trattamento termico, aprendo interessanti possibilità per materiali difficili da lavorare con i metodi convenzionali, inclusi metalli refrattari come il tungsteno e leghe avanzate per applicazioni aerospaziali, in particolare per la produzione di componenti a forma definitiva."

La dimensione dei grani gioca un ruolo fondamentale nelle prestazioni del materiale: i grani di grandi dimensioni possono facilitare la propagazione delle crepe, mentre i grani più piccoli creano maggiori barriere che possono migliorare l'affidabilità meccanica e la resistenza ai danni.

Il tungsteno è considerato uno dei materiali più promettenti per i futuri reattori a fusione grazie alla sua eccezionale resistenza al calore ed al punto di fusione di 3.422 °C. Tuttavia, può essere fragile e l'esposizione alle radiazioni può aggravare questa fragilità. Il processo PIX offre un metodo alternativo per migliorare la dimensione dei grani delle leghe a base di tungsteno in ambienti estremi.

L'invecchiamento della lega tungsteno-cromo a 1250 °C ha generato sufficienti tensioni interne per innescare la ricristallizzazione, riducendo la dimensione media dei grani di circa il 60%.

I ricercatori hanno inoltre dimostrato lo stesso principio di base in una "superlega bcc" di titanio-ferro-molibdeno, una classe di materiali attualmente oggetto di studio per applicazioni aerospaziali ad alte prestazioni, come le pale dei compressori dei motori a reazione. L'invecchiamento della lega a 750 °C ha causato una riduzione della dimensione media dei grani di circa il 90%, aumentando al contempo la durezza di 60 HV.

Secondo il gruppo, PIX potrebbe rappresentare un principio di progettazione dei materiali più ampio, applicabile a diversi sistemi di leghe, offrendo ai ricercatori un nuovo modo per controllare la struttura dei grani e le proprietà dei materiali attraverso il solo trattamento termico. Hanno aggiunto che potrebbe essere particolarmente utile per materiali fragili, difficili da modellare o prodotti con tecniche di fabbricazione additiva, dove i tradizionali processi di laminazione e deformazione potrebbero non essere pratici.

ENGLISH

Birmingham University scientists have developed a materials and processing approach that could help engineers create stronger, more reliable materials for fusion reactors and next-generation aerospace components.

Researchers, working with partners at the UK Atomic Energy Authority (UKAEA), TU Bergakademie Freiberg in Germany and City University of Hong Kong, have identified a mechanism called Precipitation Induced Recrystallisation (PIX) that allows metals to refine their internal structure during heat treatment without conventional mechanical processing.

The work, detailed in Nature Communications Materials and Scripta Materialia, demonstrates PIX in a titanium-iron-molybdenum alloy relevant to aerospace applications, and a tungsten-chromium alloy relevant to fusion energy systems.

Researchers found that in both materials, tiny regions with different atomic structures form during heat treatment, but that are symmetrically related. The mismatch that evolves between these regions generates internal strain strong enough to create new, smaller grains within the metal without first rolling, forging or mechanically deforming it.

In a statement, project leader Sandy Knowles, Professor in Nuclear Materials from the Birmingham University, said: "Our discovery challenges conventional understanding that grain refinement typically requires extensive thermomechanical processing. We show that the PIX mechanism can be used to refine grain structure in varied materials systems.

"We can design alloys where strain is generated internally during heat treatment, opening exciting possibilities for materials that are difficult to process using conventional methods, including refractory metals such as tungsten and advanced alloys for aerospace applications, particularly for net-shape manufacturing."

Grain size plays a critical role in material performance: large grains can provide easier paths for cracks to spread, while smaller grains create more barriers that can improve mechanical reliability and resistance to damage.

Tungsten is regarded as a leading candidate material for future fusion reactors because of its exceptional heat resistance and melting point of 3,422°C. However, it can be brittle, and radiation exposure can worsen this brittleness. PIX offers an alternative means of improving the grain size of tungsten-based alloys in extreme environments.

Ageing the tungsten-chromium alloy at 1,250°C generated enough internal stress to drive recrystallisation, reducing average grain size by around 60 per cent.

Researchers also demonstrated the same underlying principle in a titanium-iron-molybdenum 'bcc-superalloy', which is a class of material being explored for high-performance aerospace applications such as jet-engine compressor blades. Ageing the alloy at 750°C caused its average grain size to fall by around 90 per cent, while increasing hardness by 60HV.

According to the team, PIX could represent a broader materials-design principle that may well be applied across different alloy systems, giving researchers a new way to control grain structure and material properties through heat treatment alone. They added that it could be particularly useful for materials that are brittle, difficult to shape, or produced using additive manufacturing techniques where traditional rolling and deformation processes may not be practical.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/new-heat-treatment-method-enhances-metal-grain-structure