(Noticias de Nanowerk) Investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst y el Instituto de Tecnología de Georgia han impreso en 3D una aleación nanoestructurada de alta entropía y dos fases que supera la resistencia y la ductilidad de otros materiales fabricados de forma aditiva de última generación, lo que da como resultado componentes de mayor rendimiento para aplicaciones aeroespaciales. , medicina, energía y transporte.
El trabajo, dirigido por Wen Chen, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial en UMass, y Ting Zhu, profesor de ingeniería mecánica en Georgia Tech, es publicado por la revista Naturaleza («Aleaciones nanolamelares de alta entropía fuertes pero dúctiles mediante fabricación aditiva»).
En los últimos 15 años, las aleaciones de alta entropía (HEA) se han vuelto cada vez más populares como un nuevo paradigma en la ciencia de los materiales. Compuestos por cinco o más elementos en proporciones casi iguales, ofrecen la oportunidad de crear un número casi infinito de combinaciones únicas para el diseño de aleaciones. Las aleaciones comunes como el latón, el acero al carbono, el acero inoxidable y el bronce contienen un elemento primario en combinación con uno o más elementos traza.
La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, ha surgido recientemente como un enfoque poderoso para el desarrollo de materiales. La impresión 3D basada en láser puede generar grandes gradientes de temperatura y altas tasas de enfriamiento que no son fácilmente accesibles a través de rutas convencionales. «Sin embargo, el potencial para aprovechar los beneficios combinados de la fabricación aditiva y los HEA para lograr propiedades novedosas sigue sin explorarse en gran medida», dice Zhu.
Chen y su equipo en el Laboratorio de Fabricación y Materiales Multiescala combinaron un HEA con una técnica de impresión 3D de vanguardia llamada Laser Powder Bed Fusion para desarrollar nuevos materiales con propiedades sin precedentes. Debido a que el proceso hace que los materiales se derritan y solidifiquen muy rápidamente en comparación con la metalurgia tradicional, «se obtiene una microestructura muy diferente que está lejos del equilibrio», dice Chen.
Esta microestructura similar a una malla consta de capas alternas conocidas como estructuras nanolaminares cúbicas centradas en las caras (FCC) y cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) incrustadas en microcolonias eutécticas con orientaciones aleatorias. El HEA nanoestructurado jerárquico permite la deformación cooperativa de las dos fases.
«La reorganización atómica de esta microestructura inusual da como resultado una resistencia ultra alta y una ductilidad mejorada, lo cual es inusual ya que los materiales normalmente fuertes tienden a ser quebradizos», dice Chen. En comparación con el metal fundido tradicional, «casi hemos triplicado la resistencia y no solo no hemos perdido ductilidad, sino que la hemos aumentado al mismo tiempo», dice. “Una combinación de resistencia y ductilidad es crucial para muchas aplicaciones. Nuestros resultados son originales y emocionantes tanto para la ciencia como para la ingeniería de materiales”.
«La capacidad de producir HEA fuertes y dúctiles significa que estos materiales impresos en 3D son más robustos para resistir la deformación aplicada, lo cual es importante para el diseño estructural liviano para mejorar la eficiencia mecánica y la conservación de energía», dice Jie Ren, Ph.D. por Chen. Alumno y primer autor de la obra.
El grupo de Zhu en Georgia Tech dirigió el modelado por computadora para la investigación. Desarrolló modelos computacionales de plasticidad cristalina de dos fases para comprender los roles mecánicos que desempeñan las nanolamelas FCC y BCC y cómo trabajan juntas para proporcionar al material una mayor resistencia y ductilidad.
“Los resultados de nuestra simulación demuestran las respuestas sorprendentemente altas de resistencia y alto endurecimiento en los nanoflakes de BCC, que son clave para lograr la excelente sinergia de resistencia y ductilidad de nuestra aleación. Esta comprensión mecánica proporciona una base importante para el desarrollo futuro de HEA impresos en 3D con propiedades mecánicas excepcionales”, dice Zhu.
Además, la impresión 3D ofrece una poderosa herramienta para fabricar piezas geométricamente complejas y personalizadas. En el futuro, aprovechar la tecnología de impresión 3D de HEA y el amplio espacio de diseño de aleaciones abre numerosas oportunidades para la producción directa de componentes de uso final para aplicaciones biomédicas y aeroespaciales.
Los otros socios de investigación del artículo incluyen la Universidad Texas A&M, la Universidad de California en Los Ángeles, la Universidad Rice y los Laboratorios Nacionales Oak Ridge y Lawrence Livermore.
