Sintesi avanzata e caratterizzazione multifaccettata di schiume di lega Al‑Mg rinforzate con incorporazione di TiH2 tramite friction stir processing

Perché i metalli più leggeri contano

Dagli aeroplani e le auto elettriche ai laptop e ai dispositivi di protezione, molte delle tecnologie odierne trarrebbero vantaggio da metalli che siano contemporaneamente più leggeri e più resistenti. Una classe di materiali promettente è rappresentata dalle schiume metalliche: solidi punteggiati di pori microscopici, un po’ come del formaggio svizzero metallico. Questo lavoro esplora un nuovo modo di ottenere una schiuma di alluminio leggera e resistente usando una lega ingegneristica comune e un processo solido controllato, aprendo possibilità per veicoli più sicuri, sistemi di raffreddamento più efficienti e strutture in grado di assorbire meglio gli urti pesando molto meno.

Da metallo solido a schiuma

I ricercatori si sono concentrati su un’ampia lega nota come Al‑5052, apprezzata per il suo basso peso, la buona resistenza alla corrosione e la robustezza. Invece di schiumare il metallo fuso, hanno iniziato da una piastra di alluminio solida e hanno impiegato un metodo chiamato friction stir processing. Uno strumento rotante viene premuto e fatto scorrere lungo la piastra, mescolando una scanalatura riempita con polvere fine di idruro di titanio (TiH₂). Effettuando quattro passaggi con lo strumento, hanno ottenuto una distribuzione omogenea di queste particelle lungo una banda nella piastra. Successivamente, quando il materiale preparato viene riscaldato, il TiH₂ rilascia gas all’interno del metallo ammorbidito, facendolo gonfiare dall’interno fino a formare una schiuma.

Osservare l’interno del nuovo materiale

Per confermare che il processo avesse funzionato come previsto, il team ha usato diverse tecniche di imaging e analisi. Microscopi ottici ed elettronici hanno mostrato che le particelle contenenti titanio erano distribuite in modo uniforme, con pochissima aggregazione. L’intenso mescolamento ha frammentato i granuli originari dell’alluminio in strutture molto più fini, una trasformazione che di norma rende i metalli più resistenti. Misure di diffrazione a raggi X hanno mostrato che la struttura cristallina dell’alluminio è rimasta intatta e che erano presenti fasi contenenti titanio, a dimostrazione che l’agente schiumogeno era stato incorporato con successo e mantenuto nella lega prima del riscaldamento.

Più resistente, più duro, ma ancora lavorabile

Prima di trasformare il materiale in schiuma, i ricercatori hanno valutato come il friction stir processing avesse influenzato le sue proprietà meccaniche. La zona trattata dell’alluminio ha mostrato un aumento della resistenza ultima a trazione da circa 263 megapascal a quasi 319 megapascal—circa il 21% in più. Anche la durezza è aumentata di circa il 21%. Questo rinforzo è avvenuto con una modesta perdita di duttilità, un compromesso comune quando particelle dure e fini e grani raffinati ostacolano il movimento dei difetti nel metallo. In termini pratici, la banda di lega processata è diventata una “pelle” più robusta e più dura, migliore nel sostenere carichi e resistere alle impronte, utile sia per il materiale precursore sia per le pareti cellulari della schiuma finale.

Concepire la schiuma e i suoi pori

I campioni preparati sono stati poi riscaldati in forno in due condizioni: una a 725 °C per 12 minuti e l’altra a 750 °C per 8 minuti. In entrambi i casi il TiH₂ si è decomposto rilasciando idrogeno, che è rimasto intrappolato nell’alluminio intiepidito formando pori arrotondati su tutto il volume. La microscopia ha mostrato reti di pori relativamente uniformi. A 725 °C la dimensione media dei pori era circa 256 micrometri; a 750 °C risultava leggermente minore, intorno a 219 micrometri, suggerendo che la scelta attenta di temperatura e tempo può modulare l’aspetto e le prestazioni della schiuma. Le mappature chimiche indicano che la maggior parte del TiH₂ si era decomposta, lasciando titanio e composti titanio‑alluminio nelle pareti cellulari, insieme a fasi ossidiche che aiutano a stabilizzare la schiuma durante l’espansione.

Blocchi leggeri con grande potenziale

Misurando massa e volume dei campioni schiumati, il team ha rilevato una densità di circa 1.266 chilogrammi per metro cubo—meno della metà rispetto all’Al‑5052 pieno—e una porosità di circa il 53%. Questo colloca queste schiume nella zona ideale per applicazioni ingegneristiche che richiedono un equilibrio tra basso peso, resistenza e assorbimento di energia. Il lavoro dimostra che il friction stir processing può incorporare in modo affidabile un agente schiumogeno e creare schiume di alluminio di alta qualità con controllo della dimensione e della distribuzione dei pori, senza fondere l’intero metallo. Per il pubblico non specialista, la conclusione è che disponiamo ora di una via più pulita e più controllabile per ottenere spugne metalliche leggere e resistenti che potrebbero contribuire a costruire auto più sicure, velivoli più efficienti e sistemi di gestione termica migliori negli anni a venire.

Citazione: Rathee, S., Nabi, S., Srivastava, M. et al. Advanced synthesis and multifaceted characterization of Al-Mg alloy foams reinforced with TiH₂ incorporation through friction stir processing. Sci Rep 16, 11568 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38973-y

Parole chiave: schiuma di alluminio, materiali leggeri, friction stir processing, idruro di titanio, strutture aerospaziali