Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment
El pretratamiento mediante molienda de bolas de alta energía ajusta eficazmente las propiedades mecánicas de los compuestos de Al0.8CoCrFeNi/Al al refinar el tamaño del refuerzo y aumentar la densidad de dislocaciones, mejorando así significativamente el límite elástico y la resistencia a la tracción última manteniendo una ductilidad razonable.
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En la búsqueda incesante de materiales más ligeros y fuertes para todo, desde aeronaves hasta vehículos eléctricos, los científicos han mirado durante mucho tiempo al aluminio. Es un metal que ofrece un excelente equilibrio entre ligereza y resistencia, pero para las aplicaciones más exigentes, necesita un impulso. Una forma prometedora de darle ese impulso al aluminio es mezclándolo con diminutas partículas de una clase especial de metales conocidos como aleaciones de alta entropía. Estos no son los metales típicos; son mezclas complejas de varios elementos diferentes que, al combinarse, crean un material increíblemente resistente, capaz de soportar la corrosión y el calor extremo. El desafío, sin embargo, reside en el matrimonio de estos dos materiales. Si las partículas de la aleación de alta entropía son demasiado grandes o se agrupan, crean puntos débiles en el aluminio, provocando que el producto final falle bajo tensión. El objetivo es dispersar estas partículas de refuerzo de forma tan fina y uniforme por todo el aluminio que actúen como un escudo uniforme contra la deformación, fortaleciendo el metal sin volverlo quebradizo.
Investigadores de la Fabricante de Equipos Aeroespaciales de Shanghái y del Instituto de Tecnología de Harbin han abordado este desafío perfeccionando un método llamado metalurgia impulsada por deformación. Este proceso es esencialmente una forma de forjar metal a partir de polvo sin fundirlo, utilizando intensa presión y fricción para mezclar los ingredientes en un bloque sólido. En su trabajo más reciente, publicado en un artículo de investigación, el equipo introdujo un primer paso crucial: un vigoroso pretratamiento mediante molienda de bolas de alta energía. Imagine un tambor pesado lleno de bolas de acero y una mezcla de polvos de aluminio y de aleación de alta entropía. A medida que el tambor gira, las bolas chocan contra el polvo con una fuerza tremenda, triturando las partículas, aplanándolas y soldándolas repetidamente. Los investigadores querían ver cuánto tiempo debían mantener este tambor girando para obtener el resultado perfecto. Probaron diferentes duraciones, que iban desde quince hasta treinta horas, para observar cómo cambiaba el polvo y cómo esos cambios afectaban la resistencia final del compuesto de aluminio.
Los resultados revelaron una clara historia de transformación. A medida que aumentaba el tiempo de molienda, los trozos grandes e irregulares de la aleación de alta entropía se trituraban gradualmente en motas mucho más finas y uniformes. Inicialmente, las partículas eran relativamente grandes y estaban distribuidas de forma desigual, pero tras veinticinco horas de molienda, se habían refinado en granos equiaxiales diminutos de menos de medio micrómetro de tamaño. Este refinamiento no se trataba solo del tamaño; se trataba de cómo las partículas estaban incrustadas dentro del aluminio. La intensa molienda introdujo un número masivo de defectos, conocidos como dislocaciones, en la estructura cristalina del polvo de aluminio. Estos defectos actuaron como semillas, fomentando que el aluminio reorganizara su estructura interna en un patrón de grano más fino y robusto cuando posteriormente se forjara en un bloque sólido. Los investigadores descubrieron que cuanto más prolongaba la molienda, más podían los granos de aluminio recristalizar en una disposición apretada y uniforme, lo cual es esencial para un material fuerte.
Cuando el equipo forjó estos polvos pretratados en bloques sólidos, la diferencia en el rendimiento fue evidente. Los compuestos fabricados con polvos molidos durante periodos más cortos mostraban signos de debilidad, con partículas más grandes actuando como puntos de inicio para grietas. Sin embargo, las muestras tratadas durante veinticinco horas mostraron una notable combinación de resistencia y flexibilidad. Pudieron soportar una fuerza de 282 megapascales antes de comenzar a deformarse permanentemente, y resistieron hasta 341 megapascales antes de romperse, todo ello mientras se estiraban un 12,4 por ciento. Esta elongación es significativa; significa que el material no se hizo añicos como el vidrio, sino que se dobló y se estiró, absorbiendo energía antes de fallar. Las superficies de fractura de estas muestras exitosas mostraron un patrón uniforme de diminutos hoyuelos, lo que indica que el material se estiró uniformemente en lugar de desgarrarse en los puntos débiles. En contraste, las muestras fabricadas con menos tiempo de molienda mostraban partículas más grandes e irregulares que habían desencadenado grietas prematuras.
El estudio confirma que el pretratamiento de la molienda de bolas es una herramienta poderosa para adaptar las propiedades de estos compuestos avanzados. Al simplemente ajustar la duración del proceso de molienda, los investigadores pudieron controlar el tamaño de las partículas de refuerzo y la estructura interna de la matriz de aluminio. La marca de las veinticinco horas pareció ser el punto ideal en sus experimentos, donde las partículas eran lo suficientemente pequeñas como para estar perfectamente dispersas y la estructura del aluminio estaba lo suficientemente refinada como para maximizar la resistencia sin sacrificar demasiada ductilidad. Este enfoque ofrece un camino práctico hacia la creación de materiales a base de aluminio que sean lo suficientemente ligeros para el uso aeroespacial pero lo suficientemente fuertes para soportar los rigores del vuelo. El trabajo demuestra que, con la preparación adecuada, el potencial de las aleaciones de alta entropía para reforzar el aluminio puede realizarse plenamente, convirtiendo una mezcla de polvos en un material capaz de soportar las demandas extremas de la ingeniería moderna.
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