Una nueva tecnología de aleación con láser rompe los límites conocidos de los metales

Investigadores de EEUU han encontrado un nuevo método para crear aleaciones que las hace a la vez más resistentes y más maleables que las que se fabrican actualmente. El equipo detrás del descubrimiento asegura que estas aleaciones con propiedades sin precedentes nos traerán nuevas aplicaciones industriales que van desde la producción de vehículos más seguros y eficientes a productos más resistentes y maquinaria más duradera.

Las aleaciones son la combinación de dos elementos metálicos que dan como resultado un material nuevo. El acero, por ejemplo, es una aleación de hierro y carbono, mientras que el bronce es una mezcla de cobre y estaño. Este tipo de materiales son esenciales para la construcción de edificios, el transporte, los electrodomésticos o la fabricación de dispositivos electrónicos.

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Sin embargo tienen un problema: las aleaciones duras tienden a ser frágiles y a romperse bajo tensión, mientras que las flexibles tienden a abollarse con facilidad. Hace 20 años se encontró una solución a este problema, el desarrollo de aleaciones de entropía media y alta. Entropía se refiere a lo desordenada que es la mezcla de los elementos de las aleaciones y las altas o las medias producen materiales estables que combinan dureza y flexibilidad de una forma que no lo hacen las aleaciones convencionales.

Impresión 3D láser

Ahora un equipo de investigadores compuesto por científicos de distintas instituciones —como la Advanced Photon Source y el Center for Nanophase Materials Sciences, la Universidad de Massachusetts o el Lawrence Livermore National Laboratory— ha dado con un método de mejorar radicalmente resistencia y flexibilidad de las aleaciones de alta entropía (HEA en sus siglas en inglés). Los resultados de su trabajo están publicados en un artículo reciente de la revista Nature.

Para conseguirlo han usado una técnica de impresión 3D por láser que mejora a las empleadas anteriormente. Hasta ahora, las aleaciones creadas por impresión tenían una escasa maleabilidad, lo que significa que son difíciles de moldear y no se deforman o estiran lo suficiente como para evitar fracturas. Pero la nueva técnica de impresión usa el láser para fundir el polvo de metal, creando aleaciones metálicas sólidas de alta entropía que son más resistentes y menos propensas a fracturarse.

"El reordenamiento atómico de esta microestructura inusual da lugar a una resistencia ultraelevada, así como a una maleabilidad mejorada, algo poco común, porque normalmente los materiales fuertes tienden a ser quebradizos", explica Wen Chen, profesor adjunto de ingeniería mecánica e industrial en la Universidad de Massachusetts Amherst y autore principal del estudio. "Conseguimos casi el triple de resistencia y no sólo no perdimos maleabilidad, sino que la aumentamos simultáneamente”.

El futuro de la industria

El sistema, dicen los investigadores, produjo finas láminas de gran resistencia, mientras que los bordes de las placas permiten cierto grado de maleabilidad. La apariencia de esta microestructura bajo el microscopio es de una red de hebras dispuestas aleatoriamente.

Esto hace que las nuevas aleaciones tengan un alto límite elástico (1,3 gigapascales) que supera, dicen los investigadores, a las aleaciones de titanio más resistentes. También resisten un alargamiento (la flexión que puede soportar un material sin romperse) aproximadamente del 14% superior al de otras aleaciones metálicas con el mismo límite elástico fabricadas por impresión 3D.

Este tipo de impresión 3D facilita la creación de piezas con geometrías intrincadas que son muy útiles para la fabricación de componentes biomédicos y aeroespaciales. Además de producir materiales con propiedades inéditas hasta ahora, la nueva técnica, explica el equipo, es también muy eficiente desde el punto de vista energético, lo que lo hará aún más atractivo para la industria.

“Para muchas aplicaciones, la combinación de resistencia y ductilidad es clave. Nuestros hallazgos son originales y apasionantes tanto para la ciencia de los materiales como para la ingeniería", concluye Chen.