La aleación, el arte de combinar metales con otros elementos, ha sido durante mucho tiempo una piedra angular de la ciencia de los materiales y la metalurgia, creando materiales con propiedades personalizadas. Por el contrario, la desaleación se conoce principalmente como un proceso de corrosión que degrada los materiales al eliminar selectivamente elementos con el tiempo, debilitando su estructura. Ahora, investigadores del Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) han convertido estos dos procesos aparentemente contradictorios en un concepto innovador de síntesis armónica. Su estudio, publicado en la revista Avances en la cienciamuestra cómo se pueden combinar la desaleación y la aleación para crear aleaciones martensíticas porosas nanoestructuradas y ligeras de CO.2– Gratuito y ahorrador de energía.
La microestructura de una aleación metálica está definida por la disposición de los átomos dentro de la red; su posición y composición química son importantes para las propiedades del material. La delaminación convencional elimina naturalmente los átomos de esta red, provocando degeneración. Pero el equipo de MPI-SusMat planteó una pregunta revolucionaria: ¿Qué pasaría si pudiéramos aprovechar la distribución para crear microestructuras beneficiosas?
“Utilizamos el proceso Dellong para eliminar el oxígeno de la estructura reticular, creando porosidad mediante la creación y acumulación de vacantes de oxígeno”, explica el Dr. Shaolo Wei, investigador Humboldt en MPI-SusMat y primer autor de la publicación Had to Modulate. ” “Este enfoque abre nuevas vías para el diseño de materiales ligeros y de alta resistencia”. En el centro de su enfoque se encuentra la aleación reactiva en fase de vapor, una técnica que elimina átomos de oxígeno de la estructura reticular utilizando un entorno de gas reactivo. En este proceso, la atmósfera atrae oxígeno y lo elimina selectivamente de la red anfitriona. De esta manera, la atmósfera contiene amoníaco, que llena los sitios vacíos de la red (a través de su contenido de hidrógeno) y actúa como donador de nitrógeno intersticial para mejorar las propiedades del material. “Esta doble función del amoníaco (eliminar oxígeno y agregar nitrógeno) es una innovación clave en nuestro enfoque, ya que asigna funciones específicas a todos los átomos de ambos socios de reacción”, dice el profesor Derek Raby, director general de SusMat y MPI. su estudio de autor correspondiente
Cuatro importantes procesos metalúrgicos en un solo paso
El avance del equipo radica en la integración de cuatro procesos metalúrgicos clave en un solo paso del reactor:
- Oxido Deloying: La eliminación de oxígeno de la red para crear una porosidad excesiva mientras se reducen las aleaciones metálicas con hidrógeno.
- Aleación sustitutiva: inducción de la interfusión de estado sólido entre elementos metálicos después o después de la eliminación completa del oxígeno.
- Aleación intersticial: introducción de nitrógeno en la red huésped de metales obtenidos de la fase de vapor.
- Transformación de fase: activación de la transformación martensítica inducida térmicamente, la ruta más viable hacia la nanoestructuración.
Esta estrategia de síntesis no solo simplifica la producción de compuestos, sino que también ofrece un método sostenible al utilizar óxidos como materiales de partida y gases reactivos como el amoníaco o residuos de procesos industriales. Al utilizar hidrógeno como agente reductor y portador de energía en lugar de carbono, todo el proceso de desaleación-aleación es CO.2El único y gratuito subproducto es el agua. El modelado termodinámico demuestra la viabilidad de esta técnica para metales como hierro, níquel, cobalto y cobre.
Diseño ligero sostenible mediante ingeniería de microestructura
Gracias al control preciso de la microestructura desde la escala milimétrica hasta la atómica, las aleaciones martensíticas porosas nanoestructuradas resultantes son ligeras y resistentes. Tradicionalmente, lograr tal porosidad requería un proceso que requería mucho tiempo y energía. Por el contrario, la nueva estrategia acelera la formación de porosidad al tiempo que permite la introducción simultánea de elementos intersticiales como el nitrógeno que aumentan la resistencia y funcionalidad del material.
Las aplicaciones futuras pueden abarcar desde componentes estructurales livianos hasta dispositivos funcionales como aleaciones magnéticas duras basadas en nitruro de hierro, que pueden superar en rendimiento a los imanes de tierras raras. De cara al futuro, los investigadores prevén ampliar su enfoque al uso de óxidos industriales impuros y gases reactivos alternativos. Podría revolucionar la producción de aleaciones al reducir la dependencia de materiales de tierras raras y materias primas de alta pureza, alineándose así con los objetivos de sostenibilidad global.
Con esta innovadora estrategia de eliminación de piojos y aleación, el equipo de MPI-SusMat ha demostrado cómo repensar los procesos tradicionales puede revolucionar la ciencia de los materiales. Al combinar durabilidad con ingeniería de microestructura avanzada, están allanando el camino hacia una nueva era en el diseño de aleaciones.
Esta investigación fue financiada por la Fundación Alexander von Humboldt, la Beca Europea de Investigación Avanzada de Derek Rabe, y el equipo fue apoyado por una subvención de las Sociedades Max Planck y Fraunhofer en colaboración con una beca para Shaolo V.
