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Microstructure and Mechanical Properties of Al-Ce and Al-Ce-Cr Cast Alloys: Effects of Cr and Solidification Conditions

Este estudio demuestra que la adición de cromo a las aleaciones de Al-Ce y el empleo de la solidificación centrífuga refinan significativamente la microestructura y mejoran la resistencia a la compresión, aunque con una capacidad de endurecimiento por deformación reducida, debido a la formación de partículas intermetálicas primarias de Al20CeCr2.

Autores originales: Gueber Elias Mendes Santos Júnior, Leonardo Carvalho Oliveira, Argos Soares Silva, Jaderson Rodrigo Silva Leal, André Santos Barros, Marcella Gautê Cavalcante Xavier, José Eduardo Spinelli

Publicado 2026-09-23

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CC BY 4.0

Autores originales: Gueber Elias Mendes Santos Júnior, Leonardo Carvalho Oliveira, Argos Soares Silva, Jaderson Rodrigo Silva Leal, André Santos Barros, Marcella Gautê Cavalcante Xavier, José Eduardo Spinelli

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Imagina un mundo donde los vehículos y las máquinas que mueven nuestra vida moderna estén construidos con materiales lo suficientemente ligeros como para ahorrar combustible, pero lo suficientemente fuertes como para soportar el intenso calor de un motor. Durante décadas, los ingenieros han buscado el equilibrio perfecto, recurriendo a menudo al aluminio porque es naturalmente ligero. Sin embargo, el aluminio estándar pierde su resistencia cuando las cosas se calientan. Para resolver esto, los científicos han comenzado a mezclar aluminio con elementos de tierras raras, específicamente cerio, para crear aleaciones que se mantengan resistentes incluso bajo altas temperaturas. Estos nuevos materiales dependen de estructuras diminutas e invisibles que se forman a medida que el metal pasa de estado líquido a sólido. La forma en que estas estructuras crecen —ya sea que formen células suaves o árboles ramificados— depende en gran medida de qué tan rápido se enfríe el metal y qué otros elementos se mezclen en él. Comprender estos patrones microscópicos es la clave para diseñar la próxima generación de motores de alto rendimiento.

Un equipo de investigadores de la Universidad Federal de São Carlos en Brasil se propuso explorar exactamente cómo se forman estos patrones y cómo afectan la resistencia de las aleaciones de aluminio-cerio. Se centraron en dos recetas específicas: una que contenía solo aluminio y cerio, y otra que añadía una pequeña cantidad de cromo a la mezcla. Para observar cómo el cambio en la velocidad de enfriamiento altera el resultado, utilizaron dos métodos diferentes para solidificar el metal fundido. El primer método, llamado solidificación direccional, permitió que el metal se enfriara de manera lenta y constante, muy parecido a un río fluyendo en una sola dirección. El segundo método, conocido como solidificación centrífuga, consistió en hacer girar el metal fundido dentro de un molde de cobre. Esta acción de giro forzó al metal contra las paredes frías del molde, creando una tasa de enfriamiento mucho más rápida y generando un tipo de estructura interna diferente. Al comparar estos dos enfoques, los investigadores pudieron observar cómo la velocidad de enfriamiento y la presencia de cromo alteraron el paisaje microscópico del metal.

Cuando el metal se enfrió lentamente, formó una estructura con un espaciamiento relativamente amplio entre sus características internas. Pero cuando los investigadores utilizaron el método de enfriamiento de alta velocidad mediante rotación, las estructuras internas se volvieron increíblemente finas y densamente empaquetadas. En la aleación que contenía solo aluminio y cerio, la velocidad de enfriamiento provocó un cambio fascinante en la forma. En las secciones más delgadas del metal fundido, donde el enfriamiento fue más rápido, el metal formó una mezcla de patrones celulares suaves y estructuras ramificadas similares a árboles. A medida que las secciones se volvían más gruesas y se enfriaban un poco más lento, el metal se asentaba en un patrón puramente ramificado, tipo árbol. Sin embargo, cuando los investigadores añadieron cromo a la mezcla, este cambio desapareció. La aleación que contenía cromo mantuvo una estructura de árbol ramificado constante, independientemente de qué tan gruesa fuera la sección o qué tan rápido se enfriara. El cromo esencialmente bloqueó el metal en un patrón de crecimiento específico, evitando la formación de las formas de células suaves vistas en la mezcla pura de aluminio-cerio.

Los investigadores luego probaron cómo estas diferentes estructuras internas resistían la presión. Comprimieron muestras del metal para ver cuánta fuerza podían soportar antes de doblarse o romperse. Los resultados mostraron que la aleación con cromo era generalmente más fuerte. En las muestras enfriadas más rápidamente, el metal con cromo pudo soportar una fuerza de compresión de 282 megapascales antes de ceder, en comparación con los 253 megapascales de la aleación sin cromo. Esta resistencia adicional provino de la forma específica en que el cromo cambió la composición interna del metal. El cromo fomentó la formación de partículas diminutas y duras que actuaron como barreras, deteniendo la facilidad con la que el metal se deforma. Mientras que la aleación pura de aluminio-cerio podía estirarse y endurecerse un poco más a medida que era comprimida, la versión con cromo era más rígida desde el principio, ofreciendo una mayor resistencia al empuje inicial de la deformación.

Curiosamente, el estudio reveló que hacer las estructuras internas más pequeñas no hacía automáticamente que el metal fuera más duro en todos los sentidos. Aunque el método de rotación creó estructuras mucho más finas que el método de enfriamiento lento, la relación entre tamaño y resistencia no era una línea recta simple. La dureza del metal, medida presionando una diminuta punta de diamante en su superficie, no siempre coincidía con la resistencia medida al comprimir toda la muestra. En algunos casos, la aleación con las estructuras internas más gruesas fue en realidad más dura de indentar que la de estructuras más finas. Esto sucedió porque las partículas diminutas y duras formadas por el cromo fueron tan efectivas bloqueando el movimiento que dominaron el comportamiento del metal, incluso si el espaciamiento general entre las ramas no era el más pequeño. Los investigadores concluyeron que la resistencia de estas nuevas aleaciones depende de una combinación compleja de factores: qué tan rápido se enfría el metal, qué formas toman las estructuras internas específicas y cómo interactúan las diferentes partículas dentro del metal. Al comprender estos detalles, los ingenieros pueden adaptar mejor estos materiales ligeros para los exigentes entornos de la futura industria y el transporte.

Resumen Técnico: Microestructura y Propiedades Mecánicas de Aleaciones Fundidas de Al-Ce y Al-Ce-Cr

Planteamiento del Problema
Las aleaciones de aluminio ligeras capaces de mantener el rendimiento mecánico a temperaturas elevadas son críticas para aplicaciones estructurales y de transporte. Si bien las aleaciones de Al-Ce son prometedoras debido a su fundibilidad e intermetálicos térmicamente estables, la influencia específica de la adición de Cromo (Cr) en la formación de fases bajo condiciones de solidificación rápida aún no se comprende suficientemente. Investigaciones previas han establecido que el Cr puede modificar las microestructuras de solidificación mediante la formación de compuestos intermetálicos primarios, pero las relaciones procesamiento-microestructura-propiedad necesarias para optimizar el comportamiento de compresión de las aleaciones de Al-Ce(-Cr) bajo solidificación rápida no se han establecido completamente.

Metodología
El estudio investigó dos composiciones de aleación: Al–13 % en peso de Ce y Al–10 % en peso de Ce–1 % en peso de Cr. El enfoque experimental consistió en la producción de estas aleaciones mediante fusión por inducción y su procesamiento a través de dos rutas de solidificación distintas para comparar los efectos de la velocidad de enfriamiento:

Solidificación Direccional (SD): Realizada en un molde de acero inoxidable con base refrigerada por agua, logrando velocidades de enfriamiento de 0.76, 3.2 y 15.9 °C/s.
Solidificación Centrífuga (SC): Realizada en un molde de cobre escalonado con diámetros de 5, 7, 9 y 11 mm para lograr velocidades de enfriamiento significativamente más altas y regímenes de solidificación rápida.

Las muestras se caracterizaron mediante Difracción de Rayos X (XRD) para la identificación de fases y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) con Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS) para el análisis morfológico. Se midieron parámetros microestructurales cuantitativos, incluyendo el espaciamiento de los brazos secundarios de los dendritos ( $\lambda_2$ ) y el espaciamiento eutéctico ( $\lambda_E$ ). Las propiedades mecánicas se evaluaron mediante pruebas de microdureza Vickers y pruebas de compresión uniaxial (siguiendo la norma ASTM E9-19) para determinar el límite elástico, la resistencia máxima a la compresión y los parámetros de deformación plástica (exponente de endurecimiento por deformación $n$ y coeficiente de resistencia $K$ ) mediante el análisis de Hollomon.

Resultados Clave

Evolución Microestructural: La solidificación centrífuga produjo microestructuras notablemente más refinadas en comparación con la solidificación direccional, con espaciamientos dendríticos promedio ( $\lambda$ $λ$ ) que oscilaron entre 4.0 y 5.4 μm.
- Al–13Ce: Exhibió una transición de celular-a-dendrítica dependiente del diámetro de la muestra. Los diámetros menores (5–7 mm) mostraron morfologías mixtas celulares/dendríticas debido a las altas velocidades de interfaz y las altas fracciones eutécticas, mientras que los diámetros mayores (9–11 mm) mostraron estructuras predominantemente dendríticas.
- Al–10Ce–1Cr: Mantuvo una morfología dendrítica en todos los diámetros. La adición de Cr suprimió la morfología celular observada en la aleación binaria, probablemente debido a la modificación de la redistribución de solutos e inestabilidad de la interfaz.
Constitución de Fases: Ambas aleaciones formaron estructuras hipereutécticas. La aleación binaria consistió en $Al_{11}Ce_3$ primaria y un eutéctico $\alpha$ -Al + $Al_{11}Ce_3$ . La aleación ternaria formó partículas primarias de $Al_{20}CeCr_2$ junto con el eutéctico $\alpha$ -Al + $Al_{11}Ce_3$ . La XRD confirmó que, si bien la constitución de fase se mantuvo constante, la orientación cristalográfica varió con el diámetro de la muestra en el proceso de SC.
Desempeño Mecánico:
- Resistencia a la Compresión: La aleación Al–10Ce–1Cr exhibió generalmente una resistencia a la compresión y un límite elástico superiores en comparación con la aleación binaria Al–13Ce. En la condición de SC de 11 mm, la aleación ternaria alcanzó una resistencia a la compresión de 282 MPa y un límite elástico de 143 MPa, frente a los 253 MPa y 119 MPa de la aleación binaria.
- Dureza: La dureza Vickers no siguió estrictamente la tendencia de la resistencia a la compresión. Bajo SD, la aleación binaria mostró una mayor dureza a pesar de tener una menor resistencia a la compresión, lo cual se atribuye a sus constituyentes eutécticos más finos en comparación con el eutéctico más grueso de la aleación ternaria.
- Respuesta Plástica: El análisis de Hollomon reveló que la aleación Al–10Ce–1Cr poseía un coeficiente de resistencia más alto ( $K \approx 231$ MPa) pero un exponente de endurecimiento por deformación más bajo ( $n \approx 0.14$ ) en comparación con la aleación binaria ( $K \approx 205$ MPa; $n \approx 0.18$ ). Esto indica que la aleación con contenido de Cr ofrece una mayor resistencia al flujo plástico pero una menor capacidad de endurecimiento por deformación.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo concluye que la respuesta a la compresión de estas aleaciones no está gobernada únicamente por el refinamiento microestructural (espaciamiento dendrítico), sino significativamente por la constitución de fases, la distribución de intermetálicos y las interacciones partícula/matriz. La presencia de partículas primarias de $Al_{20}CeCr_2$ en la aleación ternaria actúa como barreras efectivas al movimiento de dislocaciones, mejorando el límite elástico y la resistencia al flujo plástico, particularmente bajo compresión donde los efectos perjudiciales de las fases frágiles gruesas son menos pronunciados que en tensión.

El estudio destaca que, si bien la solidificación centrífuga refina eficazmente las microestructuras, el resultado mecánico es una interacción compleja entre la química de la aleación (específicamente la adición de Cr) y la ruta de solidificación. Los hallazgos proporcionan una comprensión más profunda sobre cómo ajustar las aleaciones basadas en Al-Ce para aplicaciones de alta temperatura, demostrando cómo la adición de Cr y la solidificación rápida pueden aprovecharse para optimizar las propiedades mecánicas de compresión.

Resumen Técnico: Microestructura y Propiedades Mecánicas de Aleaciones Fundidas de Al-Ce y Al-Ce-Cr

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