Nuevas superaleaciones de alta entropía imprimibles en 3D que soportan el calor extremo
La búsqueda de materiales capaces de soportar las condiciones extremas de los motores a reacción y las turbinas de gas está en la vanguardia del sector aeroespacial. Las superaleaciones de níquel, conocidas por su mayor resiliencia y resistencia a altas temperaturas, han constituido un pilar en estas aplicaciones durante los últimos decenios. No obstante, la demanda de temperaturas operativas más altas en el campo ha llevado su rendimiento a un techo térmico, ya que esas temperaturas se aproximan al punto de fusión de las aleaciones. Recientemente, las superaleaciones de cobalto se han posicionado como una buena alternativa. Gracias a los precipitados de gamma prima —precipitados microscópicos y coherentes que se forman dentro de la estructura cristalina— que refuerzan su estructura, estas aleaciones superarán el rendimiento de sus contrapartes de níquel bajo un calor intenso. Sin embargo, su producción está plagada de dificultades.
Combinar lo mejor de ambos mundos
En el proyecto CNSTech, financiado por las acciones Marie Skłodowska-Curie, se combinó la resistencia del metal y del cobalto mediante la pulvimetalurgia, que consiste en mezclar, moldear y calentar polvos metálicos para crear una aleación sólida. «Nos centramos en desarrollar una nueva generación de superaleaciones, denominadas superaleaciones de alta entropía», comenta José Manuel Torralba, coordinador del proyecto. El objetivo era conseguir que estos metales fueran mejores que los que se emplean actualmente en situaciones de alto calor. «Tratamos de resolver algunos problemas frecuentes de estas superaleaciones convencionales de alta entropía, perfeccionando los métodos basados en polvo y mejorando su funcionamiento con técnicas de impresión 3D de vanguardia como, por ejemplo, la fusión láser por lecho de polvo», explica Torralba.
Avances en el desarrollo de aleaciones de alta entropía
Entre los principales logros figura la formulación de polvos de aleación monofásicos de alta entropía, que se caracterizan por una alta temperatura de solvus de gamma prima; una característica importantes para determinar el punto de fusión de un determinado componente en una mezcla metálica. Conocer esta temperatura permite un calentamiento y enfriamiento precisos, así como garantizar que un metal concreto alcance una resistencia extraordinaria a la presión y el calor. Otros logros son la creación de mapas de procesamiento optimizados para la impresión sin defectos (tecnología de fabricación por adición) y la sinterización por descarga de plasma, que consiste en aplicar corriente eléctrica y presión a polvos para obtener materiales sólidos (tecnología pulvimetalúrgica). Los estudios también se centraron en identificar cómo la disposición y distribución de los átomos dentro de una aleación, la entropía configuracional, influyen en las propiedades de la aleación. Gracias a la colaboración con socios externos, el equipo logró avances significativos en el perfeccionamiento de las metodologías de procesamiento y el análisis de caracterización de materiales.
Examinar una relación distinta
CNSTech introdujo nuevos diseños de aleación y técnicas de procesamiento de polvo adaptadas de forma específica a las superaleaciones de alta entropía, lo que supuso un avance notable en la tecnología actual. Mediante el empleo de principios de alta entropía para el diseño de la aleación y el uso de técnicas avanzadas de fabricación, el equipo de CNSTech trató de alcanzar temperaturas de solvus de gamma prima más elevadas y una mejor imprimibilidad en comparación con las superaleaciones tradicionales. «Nuestro método disruptivo se sustenta en la hipótesis de que la vinculación de la alta entropía de mezcla con la temperatura de solvus de gamma prima puede dar lugar a mejoras notables», señala Torralba. Esta correlación pone en entredicho las estrategias convencionales de diseño de aleaciones, lo que podría permitir el desarrollo de materiales con propiedades excepcionales. El impacto es considerable para los componentes aeroespaciales y los sistemas de generación de energía, donde los materiales deben soportar temperaturas y tensiones extremas durante su funcionamiento.
Impacto del proyecto
La repercusión de CNSTech es polifacética. «Al vincular la alta entropía de mezcla con la mejora del rendimiento de las superaleaciones, CNSTech abre nuevas líneas de investigación en varias familias de aleaciones diferentes a las consideradas en un principio. Por ejemplo, la aplicación de conceptos similares a distintos tipos de acero va mucho más allá de las aleaciones tradicionales de alta entropía basadas en múltiples elementos principales», comenta Torralba. Este planteamiento hace avanzar la ciencia de los materiales al ahondar en la comprensión de la termodinámica de las superaleaciones de alta entropía y sus implicaciones prácticas en el diseño de aleaciones. En último término, promete aumentar el rendimiento y la eficiencia de los motores aeroespaciales y los sistemas de generación de energía gracias al desarrollo de nuevas superaleaciones de alta entropía con propiedades superiores.
Palabras clave
CNSTech, aeroespacial, superaleaciones de alta entropía, generación de energía, temperatura de solvus de gamma prima, níquel, cobalto, impresión 3D, pulvimetalurgia
