Los investigadores japoneses pudieron predecir con rapidez y precisión la microestructura de las aleaciones de níquel-aluminio (Ni-Al) que se utilizan comúnmente en el diseño de piezas de turbinas de motores a reacción. Hasta ahora, las predicciones de la microestructura de estas aleaciones han sido laboriosas y costosas. Los hallazgos tienen el potencial de avanzar enormemente en el diseño de materiales, compuestos por una variedad de aleaciones diferentes, que se utilizan para fabricar productos en varios sectores industriales diferentes.

Las aleaciones son materiales duraderos compuestos por dos o más metales. El alto costo actual y las limitaciones de diseño de los procesos tradicionales de fabricación de aleaciones han impulsado la necesidad de crear métodos de diseño más eficientes. Un desafío clave ha sido cómo predecir con precisión la microestructura de una aleación (la estructura a muy pequeña escala que solo es visible al microscopio) que puede influir en gran medida en propiedades físicas como la resistencia, tenacidad, resistente a la corrosión, dureza y / o resistencia al desgaste y al desgarro.

Los autores pudieron predecir las microestructuras de la aleación utilizando el "método de campo de fase del primer principio". Este procedimiento predice la microestructura de las aleaciones basándose únicamente en las leyes fundamentales de la física (primeros principios) y luego utiliza esos parámetros para modelar formaciones de microestructura (campo de fase). Esto es contrario al modelo empírico, o predicciones basadas únicamente en experimentos u observaciones previas. Es más, Los investigadores llevaron a cabo sus experimentos de modelado a altas temperaturas que imitan las de las turbinas de motores a reacción (~ 1027 ^o C).

La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza el 1 de agosto 2019.

La búsqueda de nuevos materiales con propiedades deseables requiere la ingeniería de microestructura de materiales basada en el cambio de varias variables, como la composición, morfología, presión, temperatura, dopaje fundición y forja.

Una técnica de simulación fiable que pueda ayudar con el diseño y la producción de nuevos materiales basándose únicamente en un principio teórico podría hacer que la producción sea más rápida y económica. Sin embargo, la mayoría de las teorías actuales del diseño de materiales son fenomenológicas y se derivan de observaciones experimentales y experiencias empíricas. Estos requieren mucho tiempo y son costosos.

¿Qué hace que el método de campo de la fase de los primeros principios sea tan ventajoso? según los autores, es que une los cálculos precisos a pequeña escala (primeros principios) y el modelo a gran escala (campo de fase) mediante la teoría de la renormalización, un concepto en física que esencialmente hace que los grados infinitos de libertad sean finitos, o variables continuas discretas. En otras palabras, usando su método, pudieron superar procedimientos experimentales costosos y que consumían mucho tiempo y aún así producir materiales que estaban de acuerdo con los métodos experimentales.

"El método de campo de fase de primeros principios se inventó como la primera técnica innovadora de simulación multiescala del mundo. Con este método, pudimos predecir con éxito microestructuras complejas de cualquier composición de aleaciones de Ni-Al a partir de los primeros principios (leyes básicas de la física) sin utilizar ningún parámetro empírico, y nuestros resultados concuerdan bastante bien con los experimentos, "dice Kaoru Ohno, autor correspondiente y profesor de la Universidad Nacional de Yokohama.

Ohno y los coautores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón dicen que el método se puede utilizar para predecir la resistencia mecánica de las aleaciones porque las distribuciones de fuerza locales y las microestructuras se pueden calcular fácilmente.

El método que presentan los autores también se puede utilizar para predecir microestructuras de aleaciones multicomponente, o aleaciones compuestas por más de dos metales. "Estos estudios destacan la naturaleza fundamental de los aceros y otras aleaciones que hasta ahora solo se han demostrado en base a observaciones empíricas. Como tal, el método propuesto es una poderosa herramienta teórica para predecir rápidamente la aleación más adecuada que puede lograr la resistencia deseada, tenacidad, ductilidad, plasticidad, ligereza, etc. tanto como sea posible, "agrega Ohno.

En el futuro, los autores planean aplicar el método a varios materiales de acero y otras aleaciones multicomponente con el fin de predecir la dependencia de las microestructuras y las distribuciones de esfuerzos locales en sus composiciones iniciales y comprender mejor sus características.