Aleaciones de alta entropía, que están hechos de partes casi iguales de varios metales primarios, podría tener un gran potencial para crear materiales con propiedades mecánicas superiores.

Pero con un número prácticamente ilimitado de combinaciones posibles, Un desafío para los metalúrgicos es averiguar dónde enfocar sus esfuerzos de investigación en un vasto mundo inexplorado de mezclas metálicas.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia ha desarrollado un nuevo proceso que podría ayudar a orientar esos esfuerzos. Su enfoque implica la construcción de un mapa químico de resolución atómica para ayudar a obtener nuevos conocimientos sobre las aleaciones individuales de alta entropía y ayudar a caracterizar sus propiedades.

En un estudio publicado el 9 de octubre en la revista Naturaleza , los investigadores describieron el uso de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía para crear mapas de metales individuales en dos aleaciones de alta entropía. Esta técnica de espectroscopia, utilizado junto con microscopía electrónica de transmisión, detecta los rayos X emitidos por una muestra durante el bombardeo por un haz de electrones para caracterizar la composición elemental de una muestra analizada. Los mapas muestran cómo los átomos individuales se organizan dentro de la aleación, permitiendo a los investigadores buscar patrones que podrían ayudarlos a diseñar aleaciones enfatizando propiedades individuales.

Por ejemplo, Los mapas podrían dar a los investigadores pistas para comprender por qué la sustitución de un metal por otro podría hacer que una aleación sea más fuerte o más débil. o por qué un metal supera a otros en ambientes extremadamente fríos.

"La mayoría de las aleaciones utilizadas en aplicaciones de ingeniería tienen un solo metal primario, como hierro en acero o níquel en superaleaciones a base de níquel, con cantidades relativamente pequeñas de otros metales, "dijo Ting Zhu, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en Georgia Tech. “Estas nuevas aleaciones que tienen concentraciones relativamente altas de cinco o más metales abren la posibilidad de aleaciones no convencionales que pueden tener propiedades sin precedentes. Pero este es un nuevo espacio compositivo que no ha sido explorado, y todavía tenemos un conocimiento muy limitado de esta clase de materiales ".

El nombre "alta entropía" se refiere a la falta de uniformidad en la mezcla de metales, así como a cuántas formas diferentes y algo aleatorias se pueden organizar los átomos de los metales a medida que se combinan.

Los nuevos mapas podrían ayudar a los investigadores a determinar si existen estructuras atómicas no convencionales que adopten tales aleaciones que puedan aprovecharse para aplicaciones de ingeniería. y cuánto control podrían tener los investigadores sobre las mezclas para "ajustarlas" a rasgos específicos, Dijo Zhu.

Para probar el nuevo enfoque de imágenes, el equipo de investigación comparó dos aleaciones de alta entropía que contienen cinco metales. Uno era una mezcla de cromo, planchar, cobalto, níquel, y manganeso, una combinación comúnmente conocida como aleación "Cantor". El otro era similar, pero sustituía al manganeso por paladio. Esa única sustitución dio como resultado un comportamiento muy diferente en la forma en que los átomos se organizaron en la mezcla.

"En la aleación Cantor, la distribución de los cinco elementos es consistentemente aleatoria, ", Dijo Zhu." Pero con la nueva aleación que contiene paladio, los elementos muestran agregaciones significativas debido al tamaño atómico muy diferente de los átomos de paladio, así como a su diferencia en electronegatividad en comparación con los otros elementos ".

En la nueva aleación con paladio, el mapeo mostró que el paladio tendía a formar grandes grupos, mientras que el cobalto parecía acumularse en lugares donde el hierro se encontraba en bajas concentraciones.

Esas agregaciones, con sus tamaños y espaciamientos en el rango de unos pocos nanómetros, proporcionan una fuerte resistencia a la deformación y podrían explicar las diferencias en las propiedades mecánicas de una aleación de alta entropía a otra. En pruebas de esfuerzo, la aleación con paladio mostró un mayor límite elástico, manteniendo un endurecimiento por deformación y una ductilidad a la tracción similares a los de la aleación Cantor.

"La modulación a escala atómica de la distribución de los elementos produce la fluctuación de la resistencia reticular, que sintoniza fuertemente los comportamientos de dislocación, "dijo Qian Yu, coautor del artículo y profesor de la Universidad de Zhejiang. "Tal modulación se produce a una escala que es más fina que el endurecimiento por precipitación y es más grande que la del reforzamiento de la solución sólida tradicional. Y proporciona una comprensión del carácter intrínseco de las aleaciones de alta entropía".

Los hallazgos podrían permitir a los investigadores diseñar aleaciones personalizadas en el futuro, aprovechando una propiedad u otra.

El equipo también incluyó a investigadores de la Universidad de Tennessee, Knoxville; Universidad de Tsinghua; y la Academia de Ciencias de China.