Los investigadores aquí han hecho un descubrimiento en la ciencia de los materiales que suena como algo de la vieja caricatura del sábado por la mañana Super Friends: han encontrado una forma de desactivar los "nano gemelos" para mejorar las propiedades de alta temperatura de las superaleaciones que se utilizan en el jetmotores.
El avance podría acelerar el desarrollo de motores de turbina potentes y ecológicos de todo tipo, incluidos los utilizados 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, lo que les permite deformarse 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 presiones no solo puede evitar que se formen nano gemelos, sino que también puede hacer que la aleación sea más fuerte
En las pruebas, la técnica, que denominaron "fortalecimiento de la transformación de fase", eliminó la formación de nano gemelos y redujo la deformación de la aleación a la mitad.
Las aleaciones fuertes y resistentes al calor permiten que los motores de turbina funcionen de manera 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 combustiblemás a fondo y produce menos emisiones.
"Descubrimos que aumentar 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.
En estos días, las aleaciones más avanzadas están diseñadas en la computadora, prácticamente átomo por átomo, y el equipo de Mills se propuso abordar lo que llamó un déficit en la "comprensión cuantitativa e integral" de cómo estos materiales exóticos basados en metalesdeformarse bajo alto estrés.
Los investigadores hicieron el descubrimiento cuando estudiaban la formación de gemelos nano en dos superaleaciones comerciales diferentes. Comprimieron muestras de las aleaciones con miles de libras de presión a alrededor de 1.400 grados Fahrenheit, una temperatura comparable a un motor a reacción en funcionamiento, yluego 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 causaron que se desarrollaran fallas nano gemelas dentro de los cristales de superaleación. Y, en ambas aleaciones, la composición del material dentro y alrededor de las fallas cambió, pero de diferentes maneras.
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 difunden en las fallas. Los investigadores pudieron detectar estos movimientos a escala fina utilizandomicroscopios electrónicos avanzados en el Centro de Microscopía y Análisis Electrónicos 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 altas temperaturas, los 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 delfalla y permitió que se espese y se convierta en un gemelo nano "
Pero en la segunda aleación, la que no formó nano gemelos, los elementos titanio, tantalio y niobio tendieron a difundirse en las fallas. Como resultado, se formó una fase nueva y muy estable de material justo enlas fallas. La nueva fase fue tan estable que resistió la formación de nano gemelos.
Los investigadores descubrieron que la tendencia de los átomos particulares a difundirse en las fallas nano gemelas depende de la composición general de la aleación. "Descubrimos que cuando aumentaba la cantidad de titanio, tantalio y niobio en la aleación, disminuía el cobaltoy cromo, en realidad podríamos fortalecer la región alrededor de las fallas y evitar que la falla se ensanche 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 de CEMAS.
"Una investigación como esta ilustra perfectamente el poder de CEMAS para ayudar a impulsar el descubrimiento de nuevos materiales y procesos", agregó.
El equipo continúa estudiando el fortalecimiento de la transformación de fase, para ver si la adaptación de las composiciones de 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 trabajo incluyeron a Robert Williams, director asistente de CEMAS; Wolfgang Windl, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; Hamish Fraser, Ohio Eminent Scholar y profesor de ciencia e ingeniería de materiales; y los estudiantes de doctorado Bryan Esser y Nikolas Antolin, todos del estado de Ohio; Anna Carlsson de FEI / Thermo Fisher Scientific; y Andrew Wessman de GE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Ohio . Original escrito por Pam Frost Gorder. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :