Los motores a reacción son implacables. Exigen materiales que soporten el calor y la fuerza sin doblarse, agrietarse, perder forma o deformarse lentamente bajo tensión.
¿El truco? Los candidatos más fuertes suelen ser demasiado frágiles.
Los ingenieros de la Universidad Purdue acaban de desafiar esta regla. Rediseñaron el aluminio cobalto (CoAl) a nanoescala. El resultado es un nanolaminado de aluminio y cobalto hasta 10 veces más resistente que el acero estructural de alta resistencia.
Y no se rompe como el cristal.
Publicado en Science Advances, este hallazgo ofrece un nuevo camino para hacer que los intermetálicos notoriamente frágiles sean utilizables en el sector aeroespacial y de defensa.
La naturaleza frágil de los intermetálicos
Los compuestos intermetálicos contienen dos o más metales dispuestos en una red cristalina altamente ordenada. Ese orden crea fuerza. También crea altos puntos de fusión y resistencia a la fluencia: la deformación lenta bajo tensión a largo plazo.
Estas características son perfectas para motores a reacción, turbinas de gas y sistemas de energía. Pero esa misma rigidez atómica es el problema.
La mayoría de los intermetálicos no pueden doblarse. En cambio, se fracturan. Esto es especialmente cierto a temperatura ambiente.
“Entre otras aplicaciones, se pueden aplicar potencialmente a álabes de turbinas de próxima generación para motores aeronáuticos… Las aleaciones de alta resistencia y plásticamente deformables podrían permitir que un motor gire más rápido mientras sostiene fuerzas centrífugas más altas”. —Xinghang Zhang
CoAl ejemplifica este dilema. Es lo suficientemente fuerte para componentes exigentes. Pero su fragilidad hace que la fabricación de formas complejas sea casi imposible y la deja vulnerable a tensiones mecánicas repentinas.
Defectos de ingeniería a propósito
Para corregir la fragilidad, normalmente se piensa en reducir los defectos. Aquí los investigadores hicieron lo contrario.
En un cristal perfecto, los átomos siguen un patrón geométrico estricto. Una dislocación (una alteración microscópica) normalmente se considera un defecto. Pero en los metales, las dislocaciones permiten que los átomos se deslicen unos sobre otros. Esto permite que el material cambie de forma sin romperse.
CoAl carece de dislocaciones móviles a temperatura ambiente. Los intentos anteriores de aumentar su plasticidad alterando la composición o mezclando materiales no lograron resultados significativos.
El equipo de Purdue tomó un camino diferente.
Construyeron las dislocaciones directamente en el material durante la formación. También crearon una red de “interfaces amorfas”. Estos son límites delgados donde los átomos carecen de la disposición ordenada que se encuentra en un cristal.
Por qué son importantes las interfaces amorfas
Estos límites flexibles hacen más que capas separadas de CoAl.
Durante la deformación, partes de estas interfaces amorfas cristalizan parcialmente. Este proceso desencadena la creación de nuevas dislocaciones. Esas dislocaciones dan a las capas circundantes de CoAl más formas de absorber el impacto.
“Diseñamos el marco de interfaces amorfas… límites flexibles en los materiales para la flexibilidad estructural… que promueven la nucleación de las dislocaciones”. —Xinghang Zhang
Ke Xu, el primer autor del estudio, señala que este enfoque ofrece una alternativa para mejorar las capacidades de deformación plástica en CoAl. Las interfaces actúan como fuentes activas de plasticidad. Ayudan al material a responder al estrés en lugar de simplemente agrietarse.
Límite elástico en comparación con el acero estructural
Las cifras son asombrosas.
El nanolaminado alcanzó un límite elástico de 6 GPa (gigapascales). Para poner esto en perspectiva, el acero estructural de alta resistencia suele oscilar entre 0,4 GPa y 0,5 GPa. Esta nueva aleación es aproximadamente entre 6 y 10 veces más resistente.
El límite elástico mide cuánta tensión puede soportar un material antes de deformarse permanentemente.
Sin embargo, a pesar de esa resistencia extrema, el nanolaminado de CoAl sufrió una deformación plástica del 15 % bajo compresión a temperatura ambiente. Puede sufrir deformaciones permanentes importantes. No se fractura inmediatamente.
“Esta combinación de resistencia mecánica ultraalta y plasticidad sobresaliente hace que el actual sistema CoAl Nanolaminate sea uno de los mejores sistemas intermetálicos reportados hasta la fecha”. —Ke Xu
Creando el material a partir de vapor
¿Cómo se hace esto? La fundición tradicional funde el metal y lo deja solidificar. Eso no funcionará aquí.
El equipo utilizó deposición por pulverización catódica con magnetrón.
Los átomos se liberan de un material fuente en forma de vapor. Se depositan como una fina película sobre otra superficie. Este enfoque de “no equilibrio” permite que el material se forme directamente a partir del vapor.
Este método atrapa un gran número de dislocaciones dentro del CoAl. También crea esos límites amorfos críticos entre aluminio y cobalto. La fundición tradicional no puede lograr esta combinación específica de características.
Observando la deformación en tiempo real
La teoría es útil. La prueba requiere observación.
Los investigadores comprimieron el material dentro de un microscopio electrónico de barrido. Esta prueba in situ les permitió observar cambios microscópicos a medida que el CoAl se deformaba.
Las simulaciones respaldaron las imágenes. Los profesores de la Universidad de Houston, Yashashree Kulkarni, Anand Mathew, ejecutaron modelos de dinámica molecular. Los datos mostraron que las interfaces amorfas cristalizaban bajo presión. Esto liberó dislocaciones en las capas de CoAl adyacentes.
Los experimentos confirmaron lo que sugerían las simulaciones: estas interfaces ayudan activamente a la deformación plástica. Fortalecen la capacidad del material para soportar la tensión sin sacrificar su resistencia inherente.
Más allá de la nanoescala
Actualmente, este nanolaminado de CoAl es un sistema de película delgada. Todavía no es una pala de turbina a granel.
El siguiente paso es escalar. Los investigadores pretenden transferir este concepto estructural a nanocompuestos de CoAl más grandes capaces de fabricarse industrialmente.
También planean probar el concepto de “estructura de interfaces amorfas” en otros intermetálicos. Si se mantiene en diferentes compuestos, proporciona una estrategia generalizable para mejorar la plasticidad en toda esta clase de metales.
“Los intermetálicos dúctiles aumentan significativamente nuestras capacidades para diseñar materiales avanzados para aplicaciones aeroespaciales, energéticas y de defensa”. —Xinghang Zhang
En lugar de forzar la elección entre resistencia y deformabilidad, los ingenieros pronto podrán diseñar ambas. Al controlar dónde se forman los defectos y cómo reaccionan los límites, finalmente podríamos desbloquear metales que antes se consideraban inutilizables.
Referencia:
“Plasticidad en intermetálicos frágiles habilitada por el marco de interfaces amorfas y dislocaciones preexistentes” por Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashase Kulkarni y Xinghng Zhang, 17 de junio de 26, Science Advances.
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Financiamiento proporcionado por el programa de Metales y Nanoestructuras Metálicas de la Fundación Nacional de Ciencias.
