Radiofrequency plasma spheroidization of lightweight complex concentrated superalloy Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20
Este artículo presenta un método novedoso que combina la aleación mecánica y la esferoidización por plasma de radiofrecuencia para producir con éxito polvos esféricos de alta calidad de la superaleación de concentración compleja ligera Al10Nb20Ta15Ti30V5Zr20, los cuales son adecuados para la fabricación aditiva y presentan una microestructura dominada por fases BCC con ordenamiento B2 local.
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El mundo de la ingeniería aeroespacial está constantemente empujando contra un techo duro: el punto de fusión de los materiales utilizados para construir motores de reacción y naves espaciales. Durante décadas, la industria ha dependido de las superaleaciones de níquel, que son increíblemente fuertes pero comienzan a perder su integridad estructural a medida que las temperaturas se acercan a los 1.200 grados Celsius. Para volar más alto y más rápido, los ingenieros necesitan materiales que puedan soportar un calor aún más extremo. Esto ha llevado al desarrollo de una nueva clase de metales llamados aleaciones complejas concentradas refractarias. Estas no son simples mezclas de dos o tres metales, sino combinaciones intrincadas de cinco o más elementos pesados y resistentes al calor, como el tantalio, el niobio y el titanio. El objetivo es crear un material que no solo sea más fuerte a temperaturas ultraaltas, sino también más ligero que las aleaciones de níquel que pretende reemplazar, reduciendo así el peso total de la aeronave.
Sin embargo, convertir estas recetas complejas en piezas utilizables es un obstáculo significativo. Para fabricar estas aleaciones mediante la impresión 3D moderna, conocida como fabricación aditiva, los ingenieros necesitan la materia prima en forma de un polvo fino y perfectamente redondo. Si las partículas de polvo son dentadas o irregulares, no fluirán suavemente a través de la máquina de impresión, lo que provocará puntos débiles y defectos en el objeto final. La creación de estos polvos es notoriamente difícil porque los elementos involucrados son tan reactivos y tienen puntos de fusión tan altos que los métodos tradicionales suelen fallar al intentar producir un producto esférico y limpio. Un equipo de investigadores en la República Checa abordó recientemente este problema combinando dos procesos distintos: primero, moler los elementos metálicos brutos para obtener un polvo rugoso y, segundo, utilizar un chorro de gas sobrecalentado para fundir y remodelar esas partículas en esferas perfectas.
Los investigadores comenzaron con una receta de aleación específica que contenía aluminio, niobio, tantalio, titanio, vanadio y circonio. Empezaron tomando polvos brutos de estos seis elementos y moliéndolos juntos en un molino de alta energía durante 48 horas. Este proceso, conocido como aleación mecánica, obligó a las diferentes partículas metálicas a unirse y mezclarse a un nivel microscópico. El resultado fue un polvo que era químicamente uniforme pero físicamente dentado e irregular, muy parecido a la grava triturada. Aunque esta mezcla contenía los ingredientes correctos, era inútil para la impresión 3D en su estado actual. El equipo introdujo luego este polvo rugoso en una máquina especializada que utiliza plasma de radiofrecuencia, un flujo de gas ionizado calentado a temperaturas de alrededor de 10.000 grados Celsius. Mientras las partículas dentadas volaban a través de este calor intenso, se fundían instantáneamente. Una vez fundidas, la fuerza natural de la tensión superficial tiró de las gotas de metal líquido para formar esferas perfectas, tal como una gota de agua forma una bola en el espacio. Las partículas se enfriaron tan rápidamente que se congelaron en esta forma esférica, listas para su uso en la fabricación aditiva.
La transformación fue en gran medida exitosa. El polvo resultante consistía en esferas casi perfectas con una distribución de tamaño ideal para la impresión, con un promedio de alrededor de 39 micrómetros para las partículas que cayeron al fondo de la cámara de recolección. Los investigadores descubrieron que el proceso funcionaba lo suficientemente bien como para fundir incluso los elementos más difíciles y de alto punto de fusión de la mezcla. Sin embargo, el viaje no estuvo exento de complicaciones. Si bien la forma del polvo mejoró, la pureza química no fue perfecta. El análisis reveló que el polvo contenía niveles de oxígeno y nitrógeno más altos que los materiales originales. Esta contaminación probablemente ocurrió porque las diminutas partículas, mientras volaban a través del plasma, actuaron como esponjas, absorbiendo gases del entorno. La presencia de estos elementos adicionales fue significativa; hizo que las partículas de polvo final fueran más duras de lo esperado, un fenómeno que los investigadores atribuyeron al efecto de endurecimiento de estos gases atrapados más que a la composición de la aleación misma.
Dentro de las esferas recién formadas, los investigadores descubrieron una estructura interna compleja. Algunas partículas eran uniformes, mientras que otras mostraban un patrón distintivo de dos fases diferentes, similar a la forma en que se crean los cristales de hielo en una bebida con granizado. Una fase era rica en aluminio y circonio, mientras que la otra estaba dominada por el tantalio y el niobio. Esta separación ocurrió porque las partículas se enfriaron tan rápido que los diferentes elementos no tuvieron tiempo de mezclarse completamente antes de la solidificación. El equipo también encontró diminutos cristales en forma de aguja de un compuesto hecho de circonio y carbono incrustados dentro del metal. Estos cristales se formaron porque una pequeña cantidad de etanol, utilizado anteriormente en el proceso de molienda para evitar que el polvo se pegara, introdujo carbono en la mezcla. El carbono se unió entonces con el circonio durante el intenso calentamiento del plasma.
El estudio concluye que este método de molienda y posterior fusión es una vía viable para crear los polvos de alta calidad necesarios para los materiales aeroespaciales de próxima generación. El proceso convirtió con éxito el polvo metálico dentado e irregular en un material de alimentación liso y esférico que puede utilizarse en impresoras 3D. No obstante, los investigadores advierten que el camino hacia la perfección aún no ha terminado. La presencia de gases no deseados y la formación de compuestos de carbono inesperados sugieren que el proceso necesita un mayor refinamiento para asegurar que el material final sea químicamente puro. El equipo enfatiza que, para que estas aleaciones avanzadas alcancen todo su potencial, controlar la pureza del entorno de gas y la limpieza del equipo es tan importante como controlar la temperatura. Al comprender estos detalles sutiles, los ingenieros pueden acercarse a la impresión de piezas de aeronaves que sean más ligeras, más fuertes y capaces de operar en entornos que antes eran imposibles de alcanzar.
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