Un mapa de la estructura cristalina de la aleación elaborado con difracción de retrodispersión de electrones en un microscopio electrónico de barrido. Cada color representa una sección del cristal donde la estructura repetida cambia su orientación 3D. Crédito: Laboratorio de Berkeley

Los investigadores descubrieron un metal extraordinario encender que no se agrieta a temperaturas extremas debido a la torsión o flexión de los cristales de la aleación a nivel atómico.

Una aleación de metal compuesta de niobio, tantalio, titanio y hafnio ha sorprendido a los científicos de materiales por su impresionante resistencia y tenacidad a temperaturas extremadamente frías y calientes, una combinación de propiedades que hasta ahora parecía casi imposible de lograr. En este contexto, la resistencia se define como cuánta fuerza puede soportar un material antes de deformarse permanentemente de su forma original, y la tenacidad es su resistencia a la fractura (agrietamiento). La resistencia de la aleación a la flexión y fractura en una amplia gama de condiciones podría abrir la puerta a una nueva clase de materiales para motores de próxima generación que puedan funcionar con mayor eficiencia.

El equipo, dirigido por Robert Ritchie del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley, en colaboración con grupos dirigidos por los profesores Diran Apelian de UC Irvine y Enrique Lavernia de la Universidad Texas A&M, descubrieron las sorprendentes propiedades de la aleación y luego descubrieron cómo surgen de interacciones en la estructura atómica. Su trabajo se describe en un estudio publicado recientemente en la revista Ciencia.

“La eficiencia de convertir calor en electricidad o empuje está determinada por la temperatura a la que se quema el combustible; cuanto más caliente, mejor. Sin embargo, la temperatura de funcionamiento está limitada por los materiales estructurales que deben soportarla”, dijo el primer autor David Cook, estudiante de doctorado en el laboratorio de Ritchie. “Hemos agotado la capacidad de optimizar aún más los materiales que utilizamos actualmente a altas temperaturas y existe una gran necesidad de nuevos materiales metálicos. En eso es en lo que esta liga se muestra prometedora”.

La aleación de este estudio pertenece a una nueva clase de metales conocida como aleaciones refractarias de entropía alta o media (RHEA/RMEA). La mayoría de los metales que vemos en aplicaciones comerciales o industriales son aleaciones hechas de un metal principal mezclado con pequeñas cantidades de otros elementos, pero los RHEA y los RMEA se elaboran mezclando cantidades casi iguales de elementos metálicos con temperaturas de fusión muy altas, lo que les confiere propiedades únicas que Los científicos todavía están descifrando. El grupo de Ritchie lleva varios años investigando estas aleaciones debido a su potencial para aplicaciones de alta temperatura.

Este mapa de la estructura del material muestra bandas de torsión formadas cerca de la punta de la grieta durante la propagación de la grieta (de izquierda a derecha) en la aleación a 25°C, temperatura ambiente. Realizado con un detector de difracción de retrodispersión de electrones en un microscopio electrónico de barrido. Crédito: Laboratorio de Berkeley

«Nuestro equipo ha realizado trabajos previos sobre RHEA y RMEA y descubrió que estos materiales son muy fuertes pero generalmente tienen una tenacidad a la fractura extremadamente baja, razón por la cual nos sorprendió cuando esta aleación mostró una tenacidad excepcionalmente alta», dijo el coautor correspondiente. Punit Kumar, investigador postdoctoral del grupo.

Según Cook, la mayoría de los RMEA tienen una tenacidad a la fractura inferior a 10 MPa√m, lo que los convierte en algunos de los metales más frágiles jamás registrados. Los mejores aceros criogénicos, especialmente diseñados para resistir la fractura, son aproximadamente 20 veces más resistentes que estos materiales. Sin embargo, el niobio, el tantalio, el titanio y el hafnio (Nb₄₅DE ACUERDO₂₅Tú₁₅hf₁₅) La aleación RMEA pudo vencer incluso al acero criogénico, siendo 25 veces más resistente que las RMEA típicas a temperatura ambiente.

Pero los motores no funcionan a temperatura ambiente. Los científicos evaluaron la resistencia y la tenacidad a cinco temperaturas en total: -196°C (la temperatura del nitrógeno líquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C y 1200°C. Esta última temperatura es aproximadamente 1/5 de la temperatura de la superficie del sol.

El equipo descubrió que la aleación tenía mayor resistencia al frío y se debilitaba ligeramente a medida que aumentaba la temperatura, pero aun así obtuvo cifras impresionantes en todo el rango. La tenacidad a la fractura, calculada a partir de la fuerza necesaria para propagar una grieta existente en un material, fue alta en todas las temperaturas.

Desentrañando arreglos atómicos

Casi todas las aleaciones metálicas son cristalinas, lo que significa que los átomos del material están dispuestos en unidades repetidas. Sin embargo, ningún cristal es perfecto, todos contienen defectos. El defecto más destacado que se mueve se llama dislocación, que es un plano inacabado de átomos en el cristal. Cuando se aplica una fuerza a un metal, muchas dislocaciones se mueven para adaptarse al cambio de forma.

Por ejemplo, cuando dobla un clip hecho de aluminio, el movimiento de los desplazamientos dentro del clip se adapta al cambio de forma. Sin embargo, el movimiento de las dislocaciones se vuelve más difícil a temperaturas más bajas y, como resultado, muchos materiales se vuelven quebradizos a bajas temperaturas porque las dislocaciones no pueden moverse. Esta es la razón por la que el casco de acero del Titanic se fracturó al chocar contra un iceberg. Los elementos con altas temperaturas de fusión y sus aleaciones llevan esto al extremo, y muchos permanecen frágiles hasta los 800°C. Sin embargo, esta RMEA va en contra de la tendencia, resistiendo incluso temperaturas tan bajas como las del nitrógeno líquido (-196°C).

Este mapa muestra bandas de torsión formadas cerca de la punta de la grieta durante la prueba de propagación de la grieta (de izquierda a derecha) en la aleación a -196°C. Crédito: Laboratorio de Berkeley

Para comprender lo que estaba sucediendo dentro del notable metal, el co-investigador Andrew Minor y su equipo analizaron las muestras estresadas, junto con muestras de control no dobladas y no agrietadas, utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido de cuatro dimensiones (4D-STEM) y microscopía electrónica de transmisión de barrido ( PROVENIR). ) en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, parte de la Fundición Molecular del Laboratorio Berkeley.

Los datos de microscopía electrónica revelaron que la inusual dureza de la aleación proviene de un efecto secundario inesperado de un defecto poco común llamado bandas de torsión. Las bandas retorcidas se forman en un cristal cuando una fuerza aplicada hace que las tiras del cristal colapsen y se doblen abruptamente. La dirección en la que se dobla el cristal en estas tiras aumenta la fuerza que sienten los desplazamientos, haciendo que se muevan con mayor facilidad. A nivel de volumen, este fenómeno hace que el material se ablande (lo que significa que se debe aplicar menos fuerza al material a medida que se deforma). El equipo sabía por investigaciones anteriores que las bandas de torsión se formaban fácilmente en los RMEA, pero supusieron que el efecto de ablandamiento haría que el material fuera menos fuerte, lo que facilitaría la propagación de una grieta a través de la red. Pero en realidad, este no es el caso.

«Demostramos, por primera vez, que en presencia de una grieta brusca entre átomos, las bandas de torsión en realidad resisten la propagación de una grieta, distribuyendo el daño lejos de ella, evitando la fractura y dando lugar a una resistencia a la fractura extraordinariamente alta», Cook. dicho.

El número₄₅DE ACUERDO₂₅Tú₁₅hf₁₅ La liga necesitará someterse a investigaciones y pruebas de ingeniería mucho más fundamentales antes de que algo como la turbina de un avión a reacción o EspacioX la boquilla del cohete está hecha de él, dijo Ritchie, porque los ingenieros mecánicos necesitan, con razón, un conocimiento profundo del rendimiento de sus materiales antes de usarlos en el mundo real. Sin embargo, este estudio indica que el metal tiene potencial para construir los motores del futuro.

Referencia: “Las bandas giratorias proporcionan una dureza excepcional a la fractura en una aleación refractaria de entropía media NbTaTiHf” por David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian y Robert O. Ritchie, 11 de abril de 2024. Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adn2428

Esta investigación fue realizada por David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian y Robert O. Ritchie, científicos del Berkeley Lab, UC Berkeley, el Pacific Northwest National Laboratory y UC Irvine, con financiación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE). El análisis experimental y computacional se realizó en Molecular Foundry y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética; ambos son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.