I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno sviluppato un processo che, in un unico passaggio, trasforma i comuni rottami di alluminio in prodotti di alluminio di alto valore.
I rifiuti metallici industriali possono diventare leghe di alto valore e ad alte prestazioni senza la necessità di processi di fusione convenzionali. Pubblicato sulla rivista Nature Communications, uno studio del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti dimostra che gli scarti di alluminio provenienti da flussi di rifiuti industriali possono produrre leghe metalliche ad alte prestazioni. Il nuovo metodo, chiamato lega in fase solida, non solo migliora le proprietà dei materiali, ma contribuisce anche alla sostenibilità ambientale.
L’alluminio riciclato ha prestazioni pari a materiali identici realizzati da alluminio primario, quindi questo approccio può fornire un percorso a basso costo per immettere sul mercato più prodotti di metallo riciclato di alta qualità.
“La novità del nostro lavoro qui è che aggiungendo una quantità precisa di elementi metallici nel mix con trucioli di alluminio come precursore, possiamo effettivamente trasformare uno scarto a basso costo in un prodotto di alto valore. E lo facciamo in un unico passaggio, in cui tutto viene legato in cinque minuti o meno” spiega Xiao Li, scienziato dei materiali del PNNL e autore principale della ricerca.
Una tecnica innovativa
L’innovativo processo di lega in fase solida converte i rifiuti di alluminio miscelati con rame, zinco e magnesio in un prodotto in lega di alluminio ad alta resistenza progettato con precisione in pochi minuti, rispetto ai giorni necessari per produrre lo stesso prodotto con metodi convenzionali. Il team di ricerca ha usato una tecnica brevettata dal Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, chiamata Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE), per ottenere i propri risultati. I ricercatori hanno però notato che i risultati dovrebbero essere riproducibili con altri processi di produzione in fase solida.
Nel processo ShAPE, la matrice rotante ad alta velocità crea attrito e calore che disperde gli ingredienti di partenza in una lega uniforme con le stesse caratteristiche di un prodotto in alluminio lavorato di recente. L’approccio in fase solida elimina la necessità di una fusione in massa ad alta intensità energetica, che, combinata con le materie prime a basso costo derivanti dagli scarti, ha il potenziale per ridurre drasticamente i costi di produzione di questi materiali. Per i consumatori, ciò significa che i prodotti in alluminio riciclato avranno una durata maggiore e prestazioni migliori a un costo inferiore, che facciano parte di un veicolo, di un materiale da costruzione o di un elettrodomestico.
Lega metallica resistente fino al midollo
Il team scientifico Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia ha utilizzato sia test meccanici sia immagini avanzate per esaminare la struttura interna dei materiali riciclati prodotti dalla lega in fase solida. I loro risultati hanno mostrato che la lega ShAPE riciclata conferisce una nanostruttura unica a livello atomico. Durante ShAPE, all’interno della lega si formano caratteristiche su scala atomica chiamate zone Guinier-Preston. È noto che queste caratteristiche migliorano la resistenza delle leghe metalliche. Rispetto all’alluminio riciclato convenzionale, questa lega riciclata è più resistente del 200 percento e ha una maggiore resistenza alla trazione finale. Queste caratteristiche potrebbero tradursi in prodotti più duraturi e dalle prestazioni migliori per i consumatori.
“La lega in fase solida non è limitata solo alle leghe di alluminio e alle materie prime di scarto, ma teoricamente è applicabile a qualsiasi combinazione di metalli che si possa immaginare e il fatto che la produzione avvenga interamente allo stato solido significa che si possono iniziare a prendere in considerazione leghe totalmente nuove che non siamo mai stati in grado di realizzare prima” sottolinea Cindy Powell, responsabile scientifico e tecnologico per l’energia e l’ambiente presso PNNL e coautrice di questo studio.
Il processo di lega in fase solida potrebbe essere utilizzato per creare leghe di fili metallici personalizzate per varie tecnologie di stampa 3D. Per esempio, la produzione additiva ad arco di filo, o “WAAM”, viene utilizzata per stampare o riparare parti metalliche in 3D. In questo processo, un rotolo di filo viene inserito in una torcia di saldatura robotizzata, che lo fonde per costruire parti 3D.
Foto: Xiao Li | Pacific Northwest National Laboratory
