Nuevas composiciones de aleaciones de alta entropía: diseño, fabricación y caracterización
- Autores: María Prieto
- Directores de la Tesis: Paula Alvaredo Olmos (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Torralba Castelló (presid.), Carmen María Cepeda Jimenez (secret.), Miguel Angel Lagos Gomez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
El desarrollo de nuevos materiales, incluido el diseño de nuevas formulaciones de aleaciones metálicas, ha sido el principal motor del éxito de muchos de los avances tecnológicos de los últimos años. El aumento de la demanda de materiales cada vez más avanzados es uno de los desafíos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales que es clave para el desarrollo de tecnologías sostenibles para la energía, la producción, el transporte y las comunicaciones los cuales requieren nuevos materiales con propiedades específicas y competitivas.
La búsqueda de nuevos materiales con propiedades avanzadas ha llevado al desarrollo de una nueva familia de aleaciones conocidas como aleaciones de alta entropía (High Entropy Alloys, HEA). Estas aleaciones se basan en una nueva estrategia de aleación que rompe con los conceptos de la metalurgia convencional y enfatiza las inexploradas regiones centrales de los diagramas de fase de elementos múltiples. El resultado es un aumento en la entropía de mezcla y la solubilidad entre elementos dando paso a la formación de soluciones sólidas estables y simples que rompen con la regla de las fases de Gibbs.
Estas nuevas aleaciones aparecieron en 2004, siendo un hito en el campo metalúrgico y han atraído el interés de investigadores de todo el mundo debido a la combinación de propiedades que ofrecen, que incluyen: alta resistencia, fatiga y fractura resistencia, estabilidad térmica, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y resistencia a la irradiación; Las HEA muestran potencial no solo para aplicaciones estructurales sino también como catalizadores, materiales aeroespaciales y materiales nucleares. Uno de los aspectos más atractivos de las HEAs es la capacidad de adaptar la composición de la aleación para obtener unas determinadas propiedades ad hoc para una aplicación determinada. Las características fisicoquímicas de los elementos presentes en la composición de la aleación determinarán su estructura, que está íntimamente ligada a las propiedades de la aleación. Dependiendo de la composición de la aleación, la fase formada podría ser una solución sólida, un compuesto intermetálico o una fase amorfa (vidrio metálico). En el caso de un sólido solución, su estructura cristalina también se puede modificar y jugará un papel clave en la final propiedades de la aleación; por ejemplo, HEA con una fase cúbica centrada en las caras (FCC) tienden a ser más dúctiles y tienen una resistencia limitada, mientras que los HEA con una cúbica centrada en el cuerpo (BCC) son generalmente más duros, pero más frágiles.
Esta tesis doctoral se desarrolla en tres partes diferencias: diseño de nuevas composiciones, fabricación de las aleaciones diseñadas y aplicación de las aleaciones diseñadas. La primera parte de este trabajo está relacionada con el diseño de aleaciones y tiene como objetivo obtener una mejor comprensión de la solubilidad de los sólidos en las HEAs y desarrollar una herramienta de trabajo que permita desarrollar nuevas composiciones en base a la estructura deseada. Utilizado una técnica de simulación matemática se pueden identificar patrones dentro de un conjunto de sistemas metálicos que forman una amplia gama de estructuras cristalinas. Esta técnica no solo aceleraría la etapa de diseño de composición, sino que también contribuye al desarrollo de una biblioteca virtual que contenga todos los sistemas explorados. Este desarrollo se realiza mediante la combinación de desarrollo en Python y simulación termodinámica en Thermocalc. La validación de los resultados obtenidos se realiza mediante la caracterización de las aleaciones diseñadas fabricadas y la comparación de los resultados experimentales con aquellos encontrados en la simulación.
La segunda parte de esta investigación consiste en el procesamiento mediante técnicas pulvimetalúrgicas de las composiciones diseñadas. En la etapa de obtención del polvo se utilizan dos técnicas diferentes como son la aleación mecánica y la atomización en gas. En el estudio de la aleación mecánica se realiza una comparativa entre la molienda en una sola etapa o la formación de fases en una molienda secuencial. La etapa de consolidación se realiza mediante dos técnicas: Hot Pressing y Spark Plasma Sintering y se estudia la influencia de los diferentes parámetros de procesamiento en la microestructura y propiedades obtenidas. La caracterización microestructural de las piezas revela una curiosa microestructura lo que dota a estas novedosas aleaciones de excelentes propiedades encontrando la sinergia entre resistencia y ductilidad.
La tercera parte de la tesis doctoral aborda la utilización de las nuevas composiciones de HEA diseñadas como matriz metálica en materiales compuestos tipo cermet. La presencia de una microestructura sencilla con una elevada estabilidad a alta temperatura, buena combinación de propiedades mecánicas, una potencial buena resistencia a la oxidación y un bajo precio y toxicidad hacen de estas aleaciones las candidatas idóneas para ser estudiadas en esta aplicación.
La combinación de la etapa de diseño, producción, caracterización y aplicación de las nuevas HEAs desarrolladas hace de esta tesis doctoral un trabajo completo que muestra cada etapa del desarrollo de un material avanzado del que se extrae una herramienta de trabajo y un entendimiento del papel de la composición en esta familia de aleaciones que puede ser aplicado para futuros desarrollos. Además, los resultados presentados en el documento han sido publicados en artículos científicos y presentados en congresos nacionales e internacionales con una buena acogida de la comunidad científica y de la industria.
