I ricercatori del PNNL trasformano scarti metallici in leghe ad alto valore

Secondo i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), gli scarti metallici possono essere trasformati direttamente in leghe ad alte prestazioni senza utilizzare i tradizionali processi di fusione. Uno studio pubblicato questa settimana su Nature Communications dimostra infatti che gli scarti di alluminio industriali possono essere convertiti in leghe di alta qualità, con prestazioni pari ai materiali prodotti da alluminio primario, riducendo i costi e migliorando la sostenibilità ambientale.

“La novità del nostro lavoro è che, aggiungendo una quantità precisa di elementi metallici alla miscela di scaglie di alluminio come precursore, possiamo trasformare un rifiuto a basso costo in un prodotto di alto valore,” ha spiegato Xiao Li, scienziato dei materiali del PNNL e autore principale dello studio. “E lo facciamo in un solo passaggio, con un processo di lega che richiede meno di cinque minuti.”

Il processo innovativo di “solid phase alloying” trasforma i rottami di alluminio mescolati con rame, zinco e magnesio in un prodotto di lega di alluminio ad alta resistenza in pochi minuti, rispetto ai giorni necessari per produrre lo stesso materiale tramite i tradizionali processi di fusione, colata ed estrusione. Il team di ricerca ha utilizzato una tecnica brevettata dal PNNL chiamata ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion) per ottenere questi risultati, ma i ricercatori sottolineano che i risultati potrebbero essere replicati con altri processi di lavorazione in fase solida.

Nel processo ShAPE, una matrice rotante ad alta velocità genera attrito e calore che disperdono i materiali grezzi in una lega uniforme con caratteristiche equivalenti a quelle di un prodotto in alluminio forgiato di nuova produzione. L’approccio in fase solida elimina la necessità di processi di fusione ad alta intensità energetica, riducendo significativamente i costi di produzione grazie all’uso di materiali di scarto a basso costo. Per i consumatori, ciò significa prodotti in alluminio riciclato più durevoli e performanti a costi ridotti, che si tratti di veicoli, materiali da costruzione o elettrodomestici.

Il team scientifico ha utilizzato test meccanici e tecniche avanzate di imaging per analizzare la struttura interna dei materiali rigenerati tramite “solid phase alloying”. I risultati hanno mostrato che la lega riciclata con il processo ShAPE presenta una nanostruttura unica a livello atomico. Durante il processo ShAPE, si formano infatti zone di Guinier-Preston, caratteristiche note per migliorare la resistenza delle leghe metalliche. Rispetto all’alluminio riciclato convenzionale, la lega rigenerata è più resistente del 200% e ha una maggiore resistenza a trazione. Queste caratteristiche potrebbero tradursi in prodotti più duraturi e performanti per i consumatori.

“La nostra capacità di valorizzare gli scarti metallici è entusiasmante, ma ciò che più mi entusiasma di questa ricerca è che il solid phase alloying non si limita solo alle leghe di alluminio e ai materiali di scarto,” ha dichiarato Cindy Powell, Chief Science and Technology Officer per l’energia e l’ambiente presso il PNNL e coautrice dello studio. “Il solid phase alloying è teoricamente applicabile a qualsiasi combinazione di metalli immaginabile, e il fatto che la produzione avvenga interamente in fase solida apre la possibilità di creare leghe completamente nuove la cui produzione era impossibile in precedenza.”

Il processo di “solid phase alloying” potrebbe essere utilizzato per creare fili metallici personalizzati per varie tecnologie di stampa 3D. Ad esempio, la Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) viene utilizzata per stampare in 3D o riparare parti metalliche.

“È difficile ottenere fili di alimentazione con composizioni personalizzate per la manifattura additiva a filo,” ha affermato Xiao Li. “Il solid phase alloying è un metodo eccellente per produrre leghe su misura con composizioni precise, come il 2% di rame o il 5% di rame.”

Lo studio è stato supportato dal programma Laboratory Directed Research and Development del PNNL, come parte dell’iniziativa Solid Phase Processing Science Initiative. Hanno contribuito allo studio i ricercatori del PNNL Tianhao Wang, Zehao Li, Tingkun Liu, Xiang Wang, Arun Devaraj, Cindy Powell e Jorge F. dos Santos.