Los investigadores aquí han hecho un descubrimiento en la ciencia de los materiales que suena como algo de los viejos dibujos animados de los sábados por la mañana Super Friends:han encontrado una manera de desactivar los "nano gemelos" para mejorar las propiedades de alta temperatura de las superaleaciones que se utilizan en los motores a reacción.

El avance podría acelerar el desarrollo de motores de turbina potentes y ecológicos de todo tipo, incluidos los que se utilizan para el transporte y la generación de energía.

Los "nano gemelos" en cuestión son defectos microscópicos que crecen dentro de las aleaciones y las debilitan, permitiendo que se deformen bajo el calor y la presión. En el diario Comunicaciones de la naturaleza , Los ingenieros de la Universidad Estatal de Ohio describen cómo adaptar la composición de una aleación y luego exponerla a altas temperaturas y presión no solo puede evitar que se formen nano gemelos, en realidad, puede hacer que la aleación sea más fuerte.

En pruebas, la técnica, que han denominado "fortalecimiento de la transformación de fase, "eliminó la formación de nano gemelos y redujo la deformación de la aleación a la mitad.

Fuerte, Las aleaciones resistentes al calor permiten que los motores de turbina funcionen de forma limpia y eficiente. explicó Michael Mills, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y líder del proyecto en Ohio State. Cuando un motor puede funcionar a temperaturas muy altas, consume su combustible más a fondo y produce menos emisiones.

"Descubrimos que el aumento de las concentraciones de ciertos elementos en las superaleaciones inhibe la formación de gemelos de deformación a alta temperatura, mejorando así significativamente las capacidades de alta temperatura de las aleaciones, "Dijo Mills.

Estos días, las aleaciones más avanzadas están diseñadas en computadora, prácticamente átomo por átomo, y el equipo de Mills se propuso abordar lo que él llamó un déficit en el "cuantitativo, Comprensión completa "de cómo estos materiales exóticos a base de metales se deforman bajo una gran tensión.

Los investigadores hicieron el descubrimiento cuando estaban estudiando la formación de nano gemelos en dos superaleaciones comerciales diferentes. Comprimieron muestras de las aleaciones con miles de libras de presión alrededor de 1, 400 grados Fahrenheit, una temperatura comparable a la de un motor a reacción en funcionamiento, y luego examinó las estructuras cristalinas de las aleaciones con microscopios electrónicos y modeló el comportamiento mecánico cuántico de los átomos en una computadora.

En ambas aleaciones, la temperatura y la presión hicieron que se desarrollaran fallas nano gemelas dentro de los cristales de superaleación. Y, en ambas aleaciones, la composición del material en y alrededor de las fallas cambió, pero de diferentes formas.

A través de una secuencia de saltos a escala atómica, algunos elementos, como los átomos de níquel y aluminio, se difunden lejos de las fallas, mientras que otros se difundieron en las fallas. Los investigadores pudieron detectar estos movimientos de escala fina utilizando microscopios electrónicos avanzados en el Centro de Análisis y Microscopía Electrónica del Estado de Ohio (CEMAS). que ofrece una de las mayores concentraciones de instrumentos de microscopía analítica de haz de iones y electrones en cualquier institución norteamericana.

"En la primera aleación, que no era tan fuerte a alta temperatura, átomos de cobalto y cromo llenaron la falla, "dijo Timothy Smith, ex alumno de Ohio State y autor principal del estudio. "Eso debilitó el área alrededor de la falla y permitió que se espesara y se convirtiera en un nano gemelo".

Pero en la segunda aleación, la que no formó nano gemelos, los elementos titanio, en cambio, el tantalio y el niobio tendían a difundirse en las fallas. Como resultado, una fase nueva y muy estable de material formado justo en las fallas. La nueva fase fue tan estable que resistió la formación de nano gemelos.

La tendencia de los átomos particulares a difundirse en las fallas nano gemelas depende de la composición general de la aleación, los investigadores encontraron. "Descubrimos que cuando la cantidad de titanio, tantalio y se incrementó el niobio en la aleación, mientras disminuye el cobalto y el cromo, De hecho, podríamos fortalecer la región alrededor de las fallas y evitar que la falla se ensanche y se convierta en un nano gemelo, "Dijo Smith.

La combinación innovadora de los investigadores de imágenes a nivel atómico y computación de alta gama es una característica única de la investigación realizada en CEMAS. dijo David McComb, coautor del estudio y director del CEMAS.

"Investigaciones como esta ilustran perfectamente el poder de CEMAS para ayudar a impulsar el descubrimiento de nuevos materiales y procesos, "añadió.

El equipo continúa estudiando el fortalecimiento de la transformación de fase, para ver si adaptar las composiciones de la aleación de diferentes maneras podría mejorar el efecto.

Smith obtuvo su doctorado realizando este trabajo, y ahora es ingeniero de materiales de investigación en el Centro de Investigación Glenn de la NASA. Los coautores del artículo incluyeron a Robert Williams, subdirector de CEMAS; Wolfgang Windl, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; Hamish Fraser, Erudito Eminente de Ohio y profesor de ciencia e ingeniería de materiales; y los estudiantes de doctorado Bryan Esser y Nikolas Antolin, todo el estado de Ohio; Anna Carlsson de FEI / Thermo Fisher Scientific; y Andrew Wessman de GE.