Encontrar nuevos Formas de bajo costo para hacer mejores aleaciones y compuestos de metales es uno de los santos griales del mundo de la investigación de materiales. Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE. UU. Están teniendo mucho éxito al utilizar enfoques de procesamiento en fase sólida para crear materiales con propiedades mejoradas. Para entender qué está pasando y por qué, están mirando todo el camino hasta el nivel atómico de las microestructuras de los materiales. Este mes se publicó un estudio reciente en Communications Materials.

A través de la historia, de la Edad del Bronce, a la Edad del Hierro, a los tiempos modernos, El arte de lo posible en la producción de metales se ha limitado en gran medida a procesos en los que el metal se funde primero y luego se somete a una serie de pasos que requieren mucha energía para producir aleaciones y, por último, productos útiles. Los enfoques de procesamiento basados ​​en fusión han tenido mucho éxito, pero están limitados en los tipos de aleaciones y compuestos metálicos que se pueden fabricar y en las propiedades que se pueden lograr.

En procesamiento en fase sólida, los metales no se funden, sino que se someten a una fuerza de corte mecánica. Esto mezcla los metales para crear aleaciones o compuestos, para modificar localmente las propiedades del material, o para producir soldaduras entre dos materiales. El cizallamiento implica aplicar presión mientras se deslizan metales o materiales entre sí. Esto crea fricción y, por lo tanto, calor para combinar y transformar los materiales.

Este estudio se centró en una aleación ligera de aluminio y silicio ampliamente utilizada en la defensa, aeroespacial, e industrias automotrices. El equipo utilizó fuerza de corte para reestructurar la aleación a nivel nano. La distribución del silicio se modificó a nivel atómico, haciendo que la microestructura sea mucho más robusta que los materiales idénticos producidos convencionalmente, "según el científico de materiales de PNNL, Arun Devaraj.

"Analizamos cómo la fuerza de corte introduce una nanoestructura jerárquica, ", dijo Devaraj." Las pruebas de compresión mostraron que la nanoestructura creada con cizallamiento tenía casi el doble de resistencia en comparación con la microestructura de la misma aleación formada por fundición ". Devaraj y su equipo crearon micropilares a partir de la aleación fundida antes y después del cizallamiento y midieron el cantidad de fuerza necesaria para comprimir cada grupo.

En el matrimonio de una aleación de aluminio y silicio, el aluminio es el blando, sensible. El silicio es quebradizo y duro con tendencia a romperse. Antes del experimento, las partículas de silicio de aleación fundida eran pequeñas (alrededor de 10 micrones en promedio) y estaban distribuidas entre los granos de aluminio mucho más grandes.

Utilizando tomografía con sonda atómica y microscopía electrónica en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL; el equipo observó cómo la fuerza de corte cambia la microestructura de la aleación. Las partículas de silicio se fracturaron en pedazos cada vez más pequeños hasta que casi se disolvieron en el aluminio. Los granos de aluminio se hicieron mucho más pequeños. Tanto la fase de aluminio como la de silicio mostraron un mayor entremezclado como resultado de la deformación por cizallamiento.

Comprender la influencia de la deformación por cizallamiento extrema en la microestructura de una aleación de metal es crucial para optimizar nuevos métodos de procesamiento de materiales en fase sólida. También es un conocimiento útil para el campo de la tribología, que trata de las interacciones entre dos superficies en movimiento relativo entre sí, como rodamientos de bolas y otros equipos utilizados en el transporte.

Iniciativa científica de procesamiento en fase sólida de PNNL, una inversión de laboratorio, financió esta investigación como parte de sus esfuerzos para avanzar en la comprensión fundamental de las vías de síntesis de materiales en fase sólida y para permitir la fabricación de materiales y componentes de próxima generación que podrían marcar la diferencia en múltiples industrias, incluyendo aeroespacial, transporte, energía, y reciclaje de metales.