Corrosione da anti-cavitazione di CoCrFeNiAlx claddato laser sulla superficie TC4

Proteggere le navi dal colpo d'acqua invisibile

Le navi moderne e le attrezzature offshore affrontano costantemente una minaccia nascosta: minuscole bolle in acqua a rapido movimento che colpiscono il metallo come martelli microscopici. Questo fenomeno, chiamato cavitazione, può consumare eliche, pompe e parti dello scafo, soprattutto in acqua di mare salata dove la corrosione chimica si unisce all'attacco meccanico. Questo studio esplora un nuovo tipo di rivestimento protettivo realizzato con leghe «ad alta entropia» e mostra come un'attenta regolazione di un ingrediente — l'alluminio — possa migliorare drasticamente la durata di un componente navale.

Perché le bolle possono rompere il metallo

Quando l'acqua scorre rapidamente attorno allo scafo o all'elica, la pressione locale può scendere così tanto da far formare improvvisamente bolle di vapore, che collassano poi a una frazione di millimetro dalla superficie metallica. Ogni collasso genera un'onda d'urto e un getto d'acqua ad alta velocità che battono il metallo fino a centinaia di metri al secondo. In acqua di mare, i sali disciolti trasformano questo assalto puramente meccanico in un duplice colpo: la superficie è sollecitata, si formano microcricche e fossette e la corrosione guidata dai sali attacca questi punti deboli, facendo propagare il danno più rapidamente e in profondità. Anche leghe di titanio robuste come la TC4, comunemente impiegate in applicazioni marine, possono sviluppare superfici ruvide a nido d'ape e perdere materiale rapidamente sotto questo assalto combinato.

Nuovi rivestimenti multimetallo per superfici più resistenti

Per affrontare il problema, i ricercatori hanno sviluppato rivestimenti a base della lega ad alta entropia CoCrFeNiAlx, che mescola cinque metalli in proporzioni approssimativamente simili, invece di fare affidamento su un unico elemento predominante come avviene nell'acciaio. Hanno depositato questi rivestimenti sul titanio TC4 mediante cladding laser, un processo che fonde uno strato superficiale sottile e incorpora polvere metallica per formare uno strato denso e saldato spesso circa 700 micrometri. Aumentando gradualmente il contenuto di alluminio, è stato possibile far evolvere la struttura interna da una fase unica, più duttile, a una miscela di fasi e infine a una fase più dura e rigida. Questa «architettura» interna — come sono disposti grani e fasi — risulta cruciale per resistere sia all'impatto che alla corrosione.

Trovare il punto ottimale del contenuto di alluminio

Il team ha quindi testato la velocità di perdita di massa dei campioni rivestiti e non rivestiti quando esposti a intensa cavitazione, prima in acqua pura e poi in acqua di mare artificiale. Hanno anche indagato la facilità con cui la corrosione si innesca e si propaga usando tecniche elettrochimiche. È emerso un chiaro schema: all'aumentare del contenuto di alluminio, la resistenza alla cavitazione e alla corrosione migliorava inizialmente per poi deteriorarsi. Una composizione etichettata CoCrFeNiAl0.2 ha offerto le migliori prestazioni complessive. Rispetto al TC4 nudo in acqua distillata, questo rivestimento ha perso solo circa il 5% del materiale dopo 24 ore di cavitazione. In acqua di mare, dove il danno era complessivamente circa 100 volte peggiore, il rivestimento ottimizzato ha comunque surclassato il titanio, mostrando le cavità più basse e la superficie più liscia.

Come il rivestimento contrasta l'attacco

Immagini microscopiche e misure di durezza hanno rivelato perché questa formulazione funziona così bene. La sua struttura interna mista bilancia resistenza e plasticità: è sufficientemente robusta da resistere alle incudini delle bolle ma ancora capace di deformarsi leggermente e assorbire energia anziché incrinarsi. Sotto il ripetuto collasso delle bolle, lo strato superficiale dei grani diventa più fine e più denso, indurendo ulteriormente la superficie. Allo stesso tempo, alluminio e cromo nel rivestimento reagiscono con l'ossigeno formando un sottile film ossidico compatto di Al₂O₃ e Cr₂O₃. Questo film agisce come un'armatura autoformante, rallentando la corrosione e contribuendo a bloccare la crescita di cavità e cricche. Tuttavia, se l'alluminio è portato troppo in alto, il rivestimento diventa dominato da una fase più rigida che perde plasticità, perciò non può più ammortizzare gli impatti e comincia a subire danni più profondi e fragili.

Cosa significa per navi e apparecchiature offshore

Regolando attentamente un solo elemento in un rivestimento multimetallo, gli autori dimostrano che è possibile estendere significativamente la vita dei componenti in titanio che operano in acqua di mare aggressiva. Il rivestimento CoCrFeNiAl0.2 combina una struttura interna favorevole con una pelle ossidica protettiva, limitando sia l'usura meccanica da cavitazione sia l'attacco chimico dei sali. Per costruttori navali, progettisti di turbine e ingegneri offshore, questo lavoro indica rivestimenti che non solo sopportano i continui colpi dell'oceano ma rallentano anche la corrosione nascosta che segue. In termini pratici, ciò significa apparecchiature più sicure, meno riparazioni e un uso più efficiente di materiali ed energia durante la vita utile di una nave.

Citazione: Gao, PH., Liu, J., Chen, BY. et al. Anti-cavitation corrosion of laser-cladded CoCrFeNiAl_x on TC4 surface. npj Mater Degrad 10, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00758-z

Parole chiave: erosione da cavitazione, corrosione marina, leghe ad alta entropia, rivestimenti protettivi, leghe di titanio