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Proprietà e significato delle leghe refrattarie
Le leghe refrattarie realizzate con materiali come il tungsteno, il molibdeno, il niobio, il tantalio, il renio e il vanadio svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni estreme dell’industria aerospaziale. aerospazialetecnologia nucleare, industria delle alte temperature, tecnologia medica ed elettronica (1). Questi materiali ad alte prestazioni sono caratterizzati da proprietà eccezionali che li rendono essenziali per le tecnologie innovative.
Le caratteristiche di queste leghe includono
- Particolarmente adatto a temperature di esercizio superiori a 1200 °C
- Punti di fusione per lo più superiori a 2000 °C
- Elevata forza ed eccezionale resistenza all’usura, al creep e alla distorsione
- Eccellente resistenza alle temperature e ai carichi
Nonostante le loro eccezionali proprietà, questi materiali pongono ai ricercatori e agli sviluppatori sfide importanti. Le leghe classiche come il MoNbTaW spesso presentano una scarsa lavorabilità, un’elevata densità e, soprattutto, problemi di ossidazione (2). In particolare, il tungsteno e il molibdeno formano ossidi volatili a contatto con l’aria o con atmosfere ossidanti, mentre il tantalio e il niobio sviluppano strati protettivi solidi ma sono anch’essi suscettibili.
Processi di produzione innovativi
La lavorazione dei metalli refrattari richiede processi di produzione specializzati, poiché di solito non possono più essere lavorati con la metallurgia di fusione. I processi di metallurgia delle polveri si sono affermati come standard industriale e consentono di regolare in modo mirato la porosità, la struttura e la composizione della lega (3).
Le moderne varianti di metallurgia delle polveri offrono notevoli vantaggi:
- Pressatura isostatica a caldo (HIP) per materiali molto densi e con giunture sottili
- Sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS) con bassa temperatura di lavorazione
- Minimizzazione dell’assorbimento di ossigeno legato al processo
- Elevato utilizzo del materiale grazie a perdite minime durante la pressatura e la sinterizzazione
La produzione additiva di leghe refrattarie mediante fusione laser a letto di polvere o a fascio di elettroni offre il potenziale per geometrie complesse e componenti personalizzati. I progressi nel controllo del processo, come l’ottimizzazione delle atmosfere o il controllo della reazione in situ, spingono continuamente i confini dell’applicazione (4). Nella ricerca recente, la formazione mirata di leghe in situ e il rinforzo localizzato con carburi e ossidi hanno aumentato la qualità dei componenti.
Leghe refrattarie ad alta entropia (RHEA)
Le leghe ad alta entropia con diversi componenti principali, in particolare le leghe refrattarie ad alta entropia (RHEA) come HfNbTaZr o MoNbTaVW, sono state sviluppate appositamente per ambienti estremi (4). Questi materiali innovativi presentano proprietà caratteristiche che li distinguono dalle leghe convenzionali e aprono nuove possibilità nella tecnologia ad alta temperatura.
Le RHEA sono caratterizzate dalla formazione di soluzioni solide monofase che presentano tensioni di snervamento molto elevate e un’eccezionale resistenza alla corrosione. Particolarmente degna di nota è la loro resistenza alle radiazioni, che le predestina alle applicazioni nucleari, nonché le loro proprietà di auto-guarigione in caso di danni da radiazioni. Queste proprietà derivano dalla complessa interazione tra i vari elementi di lega, che porta a una microstruttura unica.
Le moderne strategie di progettazione utilizzano sempre più spesso metodi assistiti dal computer:
- Apprendimento automatico per prevedere le composizioni ottimali
- Simulazioni Monte Carlo per l’analisi strutturale
- Modellazione multiscala per l’ottimizzazione delle proprietà
Le RHEA a base di Mo, Ta, Nb e W, in particolare, mostrano un grande potenziale per le applicazioni della tecnologia nucleare grazie alla loro eccezionale resistenza alle radiazioni e potrebbero rappresentare la prossima generazione di materiali per reattori.
Applicazioni industriali e aree di utilizzo
Le speciali proprietà delle leghe refrattarie le rendono indispensabili per un’ampia gamma di applicazioni industriali. Componenti come le pale delle turbine, le strutture dei razzi, le valvole o gli schermi antiradiazioni resistenti al calore beneficiano direttamente di queste proprietà (4). Le leghe ad alta entropia mostrano vantaggi significativi rispetto alle classiche superleghe a base di nichel a temperature operative superiori a 1200°C.
Le aree di applicazione speciali includono
- Aerospaziale: Pale di turbine, strutture di razzi
- Tecnologia nucleare: schermatura dalle radiazioni, componenti strutturali
- Tecnologia medica: Impianti biocompatibili (tantalio, niobio)
- Elettronica: sistemi di imaging, contatti elettrici
- Industria ad alta temperatura: riscaldatori radianti, valvole resistenti al calore
Il tantalio e il niobio sono utilizzati soprattutto negli impianti e nei componenti elettronici, in quanto biocompatibili, resistenti alla corrosione e radiopachi. Il tungsteno e il molibdeno sono utilizzati nei sistemi di imaging e come emettitori di calore o contatti elettrici (5).
Confronto: metallurgia delle polveri vs. produzione additiva
Entrambi i processi produttivi offrono vantaggi e svantaggi specifici per le leghe di tungsteno e molibdeno e vengono utilizzati in modo specifico a seconda dell’applicazione e della geometria del componente. La metallurgia delle polveri consente di produrre leghe dense e a grana fine con un’elevata purezza e una microstruttura uniforme, riducendo al minimo le perdite di materiale. La pressatura e la sinterizzazione minimizzano la perdita di materiale, riducendo i costi delle materie prime e permettendo allo stesso tempo un buon controllo sulla composizione della lega. La selezione e la miscelazione mirata delle polveri permette di definire con precisione le proprietà del materiale, anche per sistemi difficili da miscelare come il TZM (molibdeno-titanio-zirconio-carbonio). Inoltre, il metodo è molto adatto alla produzione di massa di componenti di piccole e medie dimensioni con la stessa geometria e con deviazioni dimensionali ridotte.
La produzione additiva, invece, permette di realizzare geometrie complesse, canali interni e strutture bioniche che sarebbero impossibili o molto costose da realizzare con la metallurgia delle polveri. I processi additivi, come la fusione laser a letto di polvere o il getto di legante, offrono una flessibilità geometrica che porta vantaggi decisivi nello sviluppo di componenti innovativi. I singoli pezzi e le piccole serie possono essere realizzati rapidamente e senza l’ausilio di strumenti costosi, il che è ideale per la ricerca e lo sviluppo di prototipi. I componenti complessi o funzionalmente integrati sono spesso molto più economici, in quanto la lavorazione e l’assemblaggio non sono più necessari e i progetti possono essere ottimizzati senza dover considerare le capacità di fresatura o punzonatura.
Tuttavia, entrambi i processi devono affrontare sfide tecniche significative. Il controllo dei difetti e del processo richiede la massima attenzione con entrambe le tecnologie, in particolare il controllo delle cricche e della porosità con il tungsteno è problematico a causa degli alti punti di fusione e della solidificazione fragile. Le perdite di materiale dovute alla vaporizzazione di componenti in lega a bassa fusione come il nichel o il ferro possono portare a una perdita incontrollabile di lega durante la fusione. Di solito rimane la necessità di una post-lavorazione, come la depolverizzazione, la levigatura o il trattamento post-calore, e non sempre i componenti raggiungono la densità e la qualità meccanica dei componenti classici della metallurgia delle polveri.
Soluzioni per le sfide dell'elaborazione
La pre-legatura delle polveri nella fabbricazione additiva riduce in modo significativo l’evaporazione e quindi la perdita di elementi di lega volatili come il nichel o il ferro, poiché questi sono già integrati in modo omogeneo e chimicamente legati all’interno di ogni singola particella di polvere (6). Con le polveri pre-legate, la composizione della lega desiderata è già presente nella fusione e la polvere viene prodotta atomizzando la lega completamente fusa.
Altre soluzioni importanti sono
- Miglioramento della resistenza all’ossidazione tramite rivestimenti protettivi
- Doping con alluminio o silicio
- Modifiche innovative della superficie
- Moderni processi additivi con atmosfera controllata
- Metodi assistiti dal computer e simulazioni multiscala
Evitare il pick-up di ossigeno e produrre strutture omogenee e a grana fine restano sfide fondamentali che possono essere superate grazie a un controllo preciso del processo e alla moderna tecnologia di processo.
Conclusione
La produzione e l’applicazione efficiente di leghe refrattarie in settori altamente stressanti può essere ottenuta solo grazie all’interazione tra la metallurgia avanzata delle polveri, la produzione additiva e la progettazione innovativa dei materiali. Le leghe refrattarie ad alta entropia offrono un particolare potenziale per applicazioni estreme nella tecnologia nucleare e aerospaziale. Nonostante le sfide esistenti in termini di lavorazione e resistenza all’ossidazione, lo sviluppo di leghe mirate, i rivestimenti protettivi e i processi di produzione altamente sviluppati offrono un modo per portare questi materiali ad alte prestazioni in nuovi ambiti di applicazione. Lo sviluppo di polveri pre-legate e l’ottimizzazione dei parametri di processo giocheranno un ruolo chiave nel loro futuro utilizzo industriale.
Elenco delle fonti
(1) Zhuo, L. et al.: Una rassegna sui recenti progressi delle leghe refrattarie ad alta entropia. Journal of Materials Research and Technology 33:1097-1129 (2024).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785424021355
(2) Pacchioni, G. et al.: Progettazione di leghe refrattarie duttili ad alta entropia. Nature Reviews Materials (2025). https://www.nature.com/articles/s41578-024-00763-1
(3) Mukherjee, P. et al.: Produzione additiva di metalli refrattari e carburi per ambienti estremi: una panoramica. Scienza e tecnologia della saldatura e della giunzione. 29.
(4) Rodriguez, S. et al: Application of Refractory High-Entropy Alloys for Higher Performance in Advanced Nuclear Reactors and Aerospace (2021). DOI: 10.2172/1822585
(5) Leading Edge Metals: Metalli esotici e refrattari nell’industria delle apparecchiature mediche (2025).
https://leadingedgemetals.com/industrie-exotic-refractory-metals/medical-equipment-industry/
(6) Industria del tungsteno: lega di tungsteno per la stampa 3D di componenti complessi
https://medizin-und-technik.industrie.de/3d-druck/wolframlegierung-fuer-3d-druck-komplexer-bauteile/
