Una lega ad entropia elevata CoFeNi priva di Ta, magneticamente morbida ma meccanicamente resistente e duttile con aggiunte di Al e Ti

Perché i metalli migliori per motori contano

Dalle auto elettriche ai motori per velivoli compatti, la vita moderna dipende sempre più da macchine elettriche ad alta velocità. All’interno di ogni motore ci sono parti metalliche che devono guidare i campi magnetici in modo efficiente pur sopportando forze centrifughe e calore notevoli. Le leghe magnetiche morbide tradizionali svolgono bene il lavoro magnetico ma sono relativamente deboli e soggette a perdite di energia sotto forma di calore. Questo articolo esplora una nuova famiglia di metalli “ad alta entropia” che promette una combinazione rara: forti ma duttili, altamente resistenti alle perdite elettriche e comunque abbastanza magneticamente morbidi per i motori di nuova generazione.

Nuovi metalli costruiti da molti ingredienti

I ricercatori partono da una ricetta magnetica ben nota a base di cobalto, ferro e nichel. A questa base aggiungono piccole quantità di alluminio e titanio, creando le cosiddette leghe ad alta entropia che mescolano diversi elementi metallici in proporzioni quasi uguali. Diversamente dagli acciai convenzionali o dalle leghe magnetiche speciali, queste miscele formano una struttura cristallina sottostante semplice in cui compaiono minuscoli cluster atomici ordinati. Scegliendo con cura le quantità di alluminio e titanio, il gruppo progetta due composizioni che dovrebbero formare tali cluster su scala nanometrica evitando elementi molto costosi come il tantalio.

Regolare i piccoli mattoni all’interno del metallo

Usando la modellizzazione termodinamica al computer e una serie di trattamenti termici, gli autori guidano lo sviluppo della struttura interna di queste leghe mentre vengono riscaldate e raffreddate. A temperature elevate il materiale è una singola fase uniforme. Durante il raffreddamento compaiono particelle ordinate estremamente piccole, dell’ordine di pochi miliardesimi di metro, all’interno della matrice. In una lega rimangono ultrafini e numerosi; nell’altra possono essere fatti crescere o rimodellare mediante ulteriori fasi di laminazione e ricottura. Microscopi avanzati e mappature elemento per elemento confermano che queste particelle sono ricche di nichel e titanio e restano coerentemente incorporate nel metallo circostante, comportandosi come rinforzi nanoscalari distribuiti uniformemente.

Resistenza senza perdere la morbidezza magnetica

I test meccanici rivelano che entrambe le leghe sono molto più resistenti del metallo base cobalto‑ferro‑nichel pur allungandosi considerevolmente prima della rottura. A seconda della lavorazione raggiungono carichi di snervamento compresi tra circa 780 e 1200 megapascal — grosso modo due‑tre volte quelli di molte leghe magnetiche morbide commerciali — ma mantengono allungamenti tra il 18% e il 35%. Allo stesso tempo, le misure magnetiche mostrano bassa coercitività, il che significa che la magnetizzazione del materiale si inverte facilmente quando il motore gira, e una magnetizzazione di saturazione ragionevolmente alta, che determina la coppia che un motore può erogare. Mantenendo le particelle di rinforzo molto piccole, gli autori minimizzano la loro tendenza a bloccare le pareti di dominio magnetico, così il materiale resta magneticamente morbido anche quando diventa meccanicamente robusto.

Ridurre le perdite energetiche con la resistività elettrica

Un vantaggio cruciale di queste leghe ad alta entropia è la loro altissima resistività elettrica, più volte superiore a quella delle leghe per motori standard. Quando le parti metalliche di un motore sono soggette a campi magnetici variabili rapidamente, si generano correnti parassite che dissipano energia sotto forma di calore. Il mix complesso di elementi e la presenza di particelle nanoscalari determinano un forte scattering degli elettroni, riducendo nettamente queste correnti parassite. Una delle nuove leghe, nel suo stato di trattamento termico più semplice, combina bassa coercitività, alta magnetizzazione, eccellente resistenza meccanica ed eccezionale resistività, collocandosi in un angolo favorevole dei grafici di performance che confrontano molti materiali magnetici morbidi commerciali e sperimentali.

Verso macchine migliori, più economiche e più leggere

In termini pratici, questo lavoro mostra come modulare l’elenco degli ingredienti e il ciclo di trattamento termico di un metallo possa regolare la dimensione e la separazione di cluster atomici invisibili per ottenere una combinazione di proprietà altrimenti difficile da raggiungere. In particolare, la lega ricca di titanio offre comportamento resistente, duttile e magneticamente morbido con elevatissima resistenza alle perdite elettriche, il tutto senza fare affidamento sul raro tantalio. Queste leghe ad alta entropia prive di Ta potrebbero permettere motori elettrici e rotori di accumulo di energia più leggeri, più efficienti e più durevoli, contribuendo a far sprecare meno energia e a rendere veicoli e sistemi elettrici più affidabili in futuro.

Citazione: Sarkar, S.K., Keskar, N., Tan, L.P. et al. A magnetically soft yet mechanically strong and ductile Ta free CoFeNi high entropy alloy with Al and Ti additions. Nat Commun 17, 2890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68891-6

Parole chiave: leghe magnetiche morbide, leghe ad alta entropia, motori elettrici, nanoprecipitati, resistività elettrica