Descubren aleación de elinvar superelástica con potencial para el sector aeroespacial

Los metales suelen reblandecerse cuando se calientan, pero un equipo de investigación de la City University de Hong Kong (CityU) ha descubierto una aleación superelástica, la primera de su clase, que puede mantener su rigidez incluso después de calentarse a 1,000K (unos 727℃) o más, con una disipación de energía casi nula.

El equipo cree que la aleación puede aplicarse en la manufactura de dispositivos de alta precisión para misiones espaciales.

El proyecto fue dirigido por el profesor Yang Yong, del Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU, junto con sus colaboradores. Los resultados se publicaron en la prestigiosa revista científica Nature con el título “A Highly Distorted Ultraelastic Chemically Complex Elinvar Alloy”.

Desafiando los principios de la expansión térmica

Normalmente, el módulo elástico, es decir, la rigidez de la mayoría de los sólidos, incluidos los metales, disminuye cuando aumenta la temperatura como resultado de la expansión térmica. Sin embargo, el profesor Yang y su equipo descubrieron que una aleación de alta entropía, llamada C_o25N_i25(HfTiZr)₅₀ o “la aleación Elinvar de alta entropía”, que revela el “efecto Elinvar”. Esto significa que la aleación conserva firmemente su módulo elástico en un rango muy amplio de cambios de temperatura.

“Cuando esta aleación se calienta hasta los 1,000K, es decir, 726,85 °C, o incluso más, es tan rígida o incluso ligeramente más rígida que a temperatura ambiente, y se expande sin ninguna transición de fase notable. Esto cambia nuestro conocimiento de los libros de texto, ya que los metales suelen ablandarse cuando se expanden al calentarse”, dijo el profesor Yang.   

El profesor Yang explicó que se trata de un descubrimiento accidental. “Descubrimos este fenómeno en 2017 y pasamos varios años tratando de entender los mecanismos subyacentes para determinar por qué la rigidez de la aleación no cambia con el aumento de la temperatura”, añadió.

El experimento verificó que la microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación eran insensibles al recocido a 1,273 K (1.000 °C) durante diferentes duraciones de tiempo.

“Esto significa que la rigidez de la aleación permanece invariable a la temperatura. Según la bibliografía, antes de nuestros descubrimientos no se había encontrado ningún metal conocido que se comportara de esta manera”, dijo el profesor Yang.

Una estructura especial con propiedades únicas

El profesor Yang y su equipo acaban de descubrir la razón de este hallazgo: una estructura reticular especial muy distorsionada con una composición química compleja a escala atómica. Debido a la combinación de estas características estructurales únicas, la aleación Elinvar de alta entropía tiene una barrera energética muy alta contra los movimientos de dislocación. En consecuencia, presenta un impresionante límite de deformación elástica y una capacidad de almacenamiento de energía de casi el 100 %.

El equipo también descubrió que la aleación Elinvar de alta entropía tiene un límite elástico —la tensión máxima que puede desarrollarse en su interior sin causar una deformación permanente— de aproximadamente el 2 % en las formas a granel a temperatura ambiente, en marcado contraste con las aleaciones cristalinas convencionales que tienen un límite elástico de menos del 1 %.

Aunque hace varios años se informó de una aleación con una composición similar, su estructura y comportamiento no se comprendían entonces. En este estudio, el equipo desarrolló tres modelos estructurales atómicos para la misma aleación con diferentes distribuciones de los átomos del elemento y comparó las propiedades. El descubrimiento lo patentaron basándose en esta investigación sistemática del sistema de aleación.

Potencial para fabricar dispositivos de alta precisión

El equipo descubrió que la aleación es “muy elástica” y puede almacenar una gran cantidad de energía elástica. El profesor Yang señaló que la aleación podría utilizarse para el almacenamiento de energía para su posterior conversión.

“Dado que la elasticidad no disipa energía y, por tanto, no genera calor, lo que puede provocar el mal funcionamiento de los dispositivos, esta aleación superelástica será útil en dispositivos de alta precisión, como relojes y cronómetros”, explicó.

El equipo de investigación prevé muchas aplicaciones para la aleación, sobre todo en la ingeniería aeroespacial, en la que se espera que los dispositivos y la maquinaria sufran cambios drásticos de temperatura.

“Sabemos que la temperatura oscila entre 122°C y -232°C en la superficie de la Luna, por ejemplo. Esta aleación se mantendrá fuerte e intacta en un entorno extremo, por lo que encajaría muy bien en los futuros cronómetros mecánicos que funcionen dentro de una amplia gama de temperaturas durante las misiones espaciales”, afirmó el profesor Yang.