Las aleaciones metálicas complejas entran en una nueva era de diseño predictivo para aplicaciones aeroespaciales y otras aplicaciones de alta temperatura.
A los cocineros les encanta el acero inoxidable por su durabilidad, resistencia a la oxidación y su cocción cuando se calienta. Pero pocas personas conocen el secreto que hace que el acero inoxidable sea tan popular. Es cromo metálico en acero inoxidable, que reacciona con el oxígeno del aire para formar una fina capa protectora y estable para proteger el acero que se encuentra debajo.
Hoy en día, los científicos e ingenieros están trabajando para diseñar aleaciones que puedan resistir ambientes extremos para aplicaciones como reactores de fusión nuclear, vuelos hipersónicos y motores a reacción de alta temperatura. Para aplicaciones tan extremas, los científicos están experimentando con combinaciones complejas de muchos metales mezclados en proporciones iguales en lo que se denominan aleaciones elementales de múltiples principios o compuestos de aleación intermedios a avanzados. Estas aleaciones están destinadas a lograr objetivos de diseño como resistencia, dureza, resistencia a la corrosión, etc. En particular, los investigadores buscan compuestos que sean resistentes a la corrosión que puede ocurrir cuando los metales reaccionan con el oxígeno de la atmósfera, un proceso llamado oxidación. Estas aleaciones generalmente se prueban con el método “patear y ver”, en el que la aleación se expone a un ambiente oxidante de alta temperatura para ver cómo reacciona.
Pero ahora, un equipo de investigación multidisciplinario dirigido por científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Carolina del Norte ha combinado experimentos a escala atómica con teoría para crear una herramienta para predecir cómo se comportarán los compuestos de alta entropía bajo condiciones oxidativas de alta temperatura. ¿condiciones? La investigación, publicada en la revista medioambiental Nature Communications, ofrece una hoja de ruta hacia ciclos rápidos de diseño y prueba para aleaciones metálicas complejas resistentes a la oxidación.
“Estamos trabajando para desarrollar un modelo a escala atómica para la degradación de materiales de estas aleaciones complejas, que tiene aplicaciones en una amplia variedad de aplicaciones como las industrias aeroespacial y de energía nuclear con alta resistencia a ambientes extremos. Con el diseño de next- aleaciones de generación”, dijo Arun Devaraj, co-investigador principal del estudio y científico de materiales del PNNL que se especializa en comprender la degradación de metales en ambientes extremos. “El objetivo aquí es encontrar formas de identificar rápidamente aleaciones intermedias a avanzadas con las propiedades deseadas y la resistencia a la oxidación para la aplicación elegida”.
Una composición compleja
Para sus experimentos más recientes, el equipo de investigación estudió la degradación de una aleación de alta entropía con cantidades iguales de cobalto, cromo, hierro, níquel y manganeso (CoCrFeNiMn, también conocida como aleación Cantor). El equipo de investigación examinó los óxidos formados en la aleación Canter utilizando una variedad de métodos avanzados a escala atómica para comprender cómo cada elemento se organiza en la aleación y el óxido.
Descubrieron que el cromo y el manganeso migran rápidamente a la superficie y forman óxidos estables de cromo y manganeso. Luego, el hierro y el cobalto se difunden a través de estos óxidos para formar capas adicionales.
Al agregar pequeñas cantidades de aluminio, descubrieron que el óxido de aluminio puede actuar como una barrera para que otros elementos formen óxidos, reduciendo así la oxidación general de las aleaciones que contienen aluminio y su degradación a altas temperaturas.
“Este trabajo arroja luz sobre los mecanismos de oxidación en aleaciones complejas a escala atómica”, afirmó Bharat Gwalani, coautor del estudio. Gualani comenzó el estudio como científico en PNNL y continúa la investigación en su puesto actual como profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. “Al comprender los mecanismos fundamentales involucrados, este trabajo nos brinda una comprensión más profunda de la oxidación en todas las aleaciones complejas”, añadió.
Modelos predictivos
“Actualmente no existen modelos rectores de aplicación universal que puedan explicar cómo una determinada aleación compleja de elementos múltiples principales se oxidará y degradará con el tiempo en un entorno de oxidación a alta temperatura”, dijo Devaraj. “Este es un paso importante en esa dirección”.
El cuidadoso análisis del equipo reveló algunos principios universales que pueden predecir cómo se producirá la oxidación en estas aleaciones complejas. Colegas computacionales de NCSU desarrollaron un modelo llamado parámetro de interactividad preferencial para la predicción temprana del comportamiento de oxidación en compuestos metálicos complejos.
En última instancia, el equipo de investigación espera utilizar esta investigación para desarrollar compuestos complejos con propiedades excepcionales a altas temperaturas, y hacerlo muy rápidamente mediante muestreos y análisis rápidos. El objetivo final es elegir una combinación de elementos que favorezca la formación de un óxido adherente, afirmó Devaraj. “Sabes que se formará óxido, pero quieres tener un óxido muy estable que sea protector, que no cambie con el tiempo y que pueda soportar el calor extremo dentro de un motor de cohete o reactor nuclear”.
El siguiente paso será introducir pruebas automatizadas e integrar métodos de fabricación aditiva con inteligencia artificial avanzada para evaluar rápidamente nuevas aleaciones prometedoras. Ese proyecto ahora está en marcha en PNNL como parte de la iniciativa Adaptable Tunability for Synthesis and Control Through Andalusian Learning at the Edge (AT SCALE).
“Este tipo de circuito de descubrimiento de materiales será muy relevante para ampliar aún más nuestro conocimiento de estas nuevas aleaciones”, dijo Devaraj, quien también ocupa un puesto docente conjunto en la Escuela de Minas de Colorado.
Además de Govalani y Devaraj, contribuyeron los científicos del PNNL Stan Lambetts, Matthew Olzetta, Anil Krishna Butto y Theothasan Santharamplai. así como Martin Thu, Iram Amasian, Andrew Martin, Anirudha Malakar y Boyo Go de NCSU; Elizabeth Kautz, profesora asistente de ingeniería nuclear en el estado de Carolina del Norte, quien también tiene un nombramiento conjunto con PNNL. Feipeng Yang y Jinghua Gu del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y Ruipeng Lee del Laboratorio Nacional Brookhaven.
Para investigar la disposición de los átomos dentro de las muestras, el equipo de investigación utilizó tomografía con sonda atómica in situ en el PNNL. Estos resultados se correlacionaron con microscopía electrónica y rayos X de gran angular de incidencia rasante basada en sincrotrón en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II, BNL, y mediciones de absorción de rayos X realizadas por la Fuente de Luz Avanzada, LBNL, en la Instalación Nacional de Usuarios. fue financiado. Oficina de Ciencias del DOE. La investigación también fue apoyada en parte por la Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas, Ciencias de Materiales e Ingeniería del DOE como parte del Programa de Investigación de Carrera Temprana.