Los investigadores han descubierto una notable aleación de metal que no se agrieta a temperaturas extremas debido al retorcimiento 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 con su impresionante resistencia y tenacidad tanto a temperaturas extremadamente calientes como frías, 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 que se deforme permanentemente de su forma original, y la tenacidad es su resistencia a la fractura (agrietamiento). La resistencia de la aleación a la flexión y la fractura en una enorme variedad 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 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley, en colaboración con los grupos dirigidos por los profesores Diran Apelian en UC Irvine y Enrique Lavernia en 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 que se publicó el 11 de abril de 2024 en 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. , un doctorado. estudiante 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 aleación se muestra prometedora».
La aleación de este estudio proviene de una nueva clase de metales conocida como aleaciones refractarias de entropía media o alta (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 obtienen mezclando cantidades casi iguales de elementos metálicos con temperaturas de fusión muy altas, lo que les da Propiedades únicas que los científicos aún están desentrañando. El grupo de Ritchie ha estado investigando estas aleaciones durante varios años debido a su potencial para aplicaciones de alta temperatura.
«Nuestro equipo ha realizado trabajos previos sobre RHEA y RMEA y hemos descubierto que estos materiales son muy fuertes, pero generalmente poseen una tenacidad a la fractura extremadamente baja, razón por la cual nos sorprendió cuando esta aleación mostró una tenacidad excepcionalmente alta», dijo el coautor para correspondencia 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 (Nb45Ejército de reserva25Ti15hf15) La aleación RMEA fue capaz de superar incluso al acero criogénico, siendo más de 25 veces más resistente que los RMEA típicos 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. La última temperatura es aproximadamente 1/5 de la temperatura de la superficie del sol.
El equipo descubrió que la aleación tenía la mayor resistencia en el frío y se debilitaba ligeramente a medida que aumentaba la temperatura, pero aún así contaba con cifras impresionantes en todo el amplio rango. La tenacidad a la fractura, que se calcula a partir de la fuerza que se necesita para propagar una grieta existente en un material, fue alta en todas las temperaturas.
Desentrañando los arreglos atómicos
Casi todas las aleaciones metálicas son cristalinas, lo que significa que los átomos del interior 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 fuerza a un metal, se producen muchas dislocaciones que se mueven para adaptarse al cambio de forma. Por ejemplo, cuando se dobla un clip hecho de aluminio, el movimiento de las dislocaciones 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. Por eso el casco de acero del Titanic se rompió al chocar contra un iceberg. Los elementos con altas temperaturas de fusión y sus aleaciones llevan esto al extremo, y muchos permanecen frágiles incluso hasta los 800°C. Sin embargo, esta RMEA va en contra de la tendencia y resiste el quiebre incluso a temperaturas tan bajas como el nitrógeno líquido (-196 °C).
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 en cuatro dimensiones (4D-STEM) y microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM). ) 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 raro llamado banda torcida. Las bandas retorcidas se forman en un cristal cuando una fuerza aplicada hace que las tiras del cristal colapsen sobre sí mismas y se doblen abruptamente. La dirección en la que se dobla el cristal en estas tiras aumenta la fuerza que sienten las dislocaciones, haciendo que se muevan con mayor facilidad. A nivel global, 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 resistente al facilitar que una grieta se extendiera a través de la red. Pero en realidad, este no es el caso.
«Demostramos, por primera vez, que en presencia de una grieta aguda entre átomos, las bandas retorcidas en realidad resisten la propagación de una grieta distribuyendo el daño lejos de ella, previniendo la fractura y conduciendo a una tenacidad a la fractura extraordinariamente alta», dijo Cook.
el nb45Ejército de reserva25Ti15hf15 La aleación necesitará someterse a investigaciones y pruebas de ingeniería mucho más fundamentales antes de fabricar con ella algo como la turbina de un avión a reacción o la boquilla de un cohete SpaceX, dijo Ritchie, porque los ingenieros mecánicos necesitan, con razón, un conocimiento profundo de cómo se comportan 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.
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 llevó a cabo en Molecular Foundry y en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, ambos son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.