Las aleaciones intermetálicas tienen potencialmente una alta resistencia en un entorno de alta temperatura. Pero generalmente sufren de mala ductilidad a temperatura ambiente y bajas, por lo tanto, limitan sus aplicaciones en la industria aeroespacial y en otros campos de la ingeniería. Todavía, Un equipo de investigación dirigido por científicos de la City University of Hong Kong (CityU) ha descubierto recientemente las capas a nanoescala desordenadas en los límites de los granos en las aleaciones intermetálicas ordenadas. Las nanocapas no solo pueden resolver el conflicto irreconciliable entre fuerza y ​​ductilidad de manera efectiva, pero también mantienen la resistencia de la aleación con una excelente estabilidad térmica a altas temperaturas. El diseño de nanocapas similares puede abrir un camino para el diseño de nuevos materiales estructurales con propiedades de aleación óptimas.

Esta investigación fue dirigida por el profesor Liu Chain-tsuan, Profesor distinguido de la Universidad de CityU y miembro principal del Instituto de Estudios Avanzados de Hong Kong (HKIAS). Los hallazgos se acaban de publicar en la prestigiosa revista científica. Ciencias , titulado "Aleaciones de superrejilla dúctil y de ultra alta resistencia con interfaces desordenadas a nanoescala".

Como los metales la estructura interna de las aleaciones intermetálicas está hecha de áreas cristalinas individuales conocidas como "granos". La fragilidad habitual en las aleaciones intermetálicas se atribuye generalmente al agrietamiento a lo largo de sus límites de grano durante la deformación por tracción. Agregar el elemento boro a las aleaciones intermetálicas ha sido uno de los enfoques tradicionales para superar la fragilidad. El profesor Liu fue en realidad uno de los que estudió este enfoque hace 30 años. En ese tiempo, descubrió que la adición de boro a las aleaciones intermetálicas binarias (que constituyen dos elementos, como Ni ₃ Al) mejora la cohesión del límite de grano, mejorando así su ductilidad general.

Un resultado experimental sorprendente

En años recientes, El profesor Liu ha logrado grandes avances en el desarrollo de aleaciones intermetálicas a granel (la aleación intermetálica también se llama aleación de superrejilla, construido con largo alcance, estructura ordenada atómicamente compacta). Estos materiales con buenas resistencias son muy atractivos para aplicaciones estructurales de alta temperatura, pero generalmente sufren de una gran fragilidad a temperatura ambiente, así como un rápido engrosamiento del grano (es decir, crecimiento en tamaño de grano) y ablandamiento a altas temperaturas. Así que esta vez El profesor Liu y su equipo han desarrollado la nueva estrategia de "desorden de nanoescala interfacial" en aleaciones intermetálicas de elementos múltiples, que permite la alta resistencia, gran ductilidad a temperatura ambiente y también excelente estabilidad térmica a temperaturas elevadas.

"Lo que intentamos hacer originalmente es mejorar la cohesión de los límites del grano mediante la optimización de la cantidad de boro, "dijo el Dr. Yang Tao, becario de investigación postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU e IAS, quien también es uno de los primeros coautores del artículo. "Esperábamos que, a medida que aumentamos la cantidad de boro, la aleación retendría una resistencia ultra alta debido a sus constituyentes de múltiples elementos ".

Según la sabiduría convencional, la adición de trazas (0,1 a 0,5 por ciento atómico (at.%)) de boro mejora sustancialmente su ductilidad a la tracción al aumentar la cohesión del límite de grano. Cuando se agregaron cantidades excesivas de boro, este enfoque tradicional no funcionaría. "Pero cuando agregamos cantidades excesivas de boro a las aleaciones intermetálicas multicomponentes actuales, obtuvimos resultados completamente diferentes. En un momento me pregunté si algo salió mal durante los experimentos, "Recordó el Dr. Yang.

Para sorpresa del equipo, al aumentar el boro hasta 1,5 a 2,5 a. %, estas aleaciones dopadas con boro se volvieron muy fuertes pero muy dúctiles. Los resultados del experimento revelaron que las aleaciones intermetálicas con 2 at. El% de boro tiene un límite elástico ultra alto de 1,6 gigapascales con una ductilidad a la tracción del 25% a temperatura ambiente.

Estudiando a través de diferentes microscopías electrónicas de transmisión, el equipo descubrió que cuando la concentración de boro variaba de 1,5 a 2,5 a. %, se formó una nanocapa distintiva entre granos ordenados adyacentes. Cada uno de los granos se encapsuló dentro de esta nanocapa ultrafina de aproximadamente 5 nm de espesor. Y la propia nanocapa tiene una estructura atómica desordenada. "Este fenómeno especial nunca se había descubierto y reportado antes, "dijo el profesor Liu.

Sus pruebas de tracción mostraron que la nanocapa sirve como zona de amortiguación entre los granos adyacentes, que permite la deformación plástica en los límites de grano, dando como resultado una gran ductilidad a la tracción a un nivel de límite elástico ultra alto.

¿Por qué se forma la nanocapa desordenada?

El equipo descubrió que el aumento adicional de boro ha mejorado sustancialmente la "co-segregación de múltiples elementos", la división de múltiples elementos a lo largo de los límites de los granos. Con la tomografía avanzada con sonda atómica tridimensional (APT 3-D) en CityU, el único de su tipo en Hong Kong y el sur de China, observaron una alta concentración de boro, átomos de hierro y cobalto dentro de las nanocapas. A diferencia de, el níquel, el aluminio y el titanio se agotaron en gran medida allí. Esta partición elemental única, como resultado, indujo el desorden a nanoescala dentro de la nanocapa que suprime eficazmente las fracturas a lo largo de los límites del grano y mejora la ductilidad.

Es más, al evaluar la respuesta térmica de la aleación, el equipo descubrió que el aumento en el tamaño del grano era insignificante incluso después de 120 horas de recocido a una temperatura alta de 1050 ° C. Esto sorprendió nuevamente al equipo porque la mayoría de los materiales estructurales suelen mostrar el rápido crecimiento del tamaño de grano a alta temperatura, lo que resulta en una disminución rápida de la fuerza.

Una nueva vía para desarrollar materiales estructurales para usos de alta temperatura.

Creían que la nanocapa es fundamental para suprimir el crecimiento del tamaño de grano y mantener su resistencia a altas temperaturas. Y la estabilidad térmica de la nanocapa desordenada hará que este tipo de aleación sea adecuado para aplicaciones estructurales de alta temperatura.

"El descubrimiento de esta nanocapa desordenada en la aleación tendrá un impacto en el desarrollo de materiales de alta resistencia en el futuro. En particular, Este enfoque se puede aplicar a materiales estructurales para aplicaciones en entornos de alta temperatura como aeroespacial, automotor, la energía nuclear, e ingeniería química, "dijo el profesor Liu.