Innovadora tecnología de recubrimiento promete mejorar aleaciones para aviación

La industria aeroespacial ha experimentado desarrollos significativos en el último siglo, con ingenieros en ciencia de materiales desempeñando un papel crucial en esta transformación. Se sabe que, a medida que aumenta la temperatura de operación de los materiales metálicos, se puede mejorar la velocidad de las aeronaves y reducir el consumo de combustible.

Por lo tanto, la investigación sobre materiales a altas temperaturas ha estado directamente vinculada a la mejora del rendimiento de las aeronaves y se ha llevado a cabo activamente en todo el mundo desde la década de 1940.

Durante más de 80 años, las aleaciones a base de níquel han sido los materiales principales utilizados para aplicaciones a altas temperaturas. Para permitir su uso a temperaturas aún más altas, se han aplicado recubrimientos cerámicos a las aleaciones de níquel. Sin embargo, debido al ablandamiento intrínseco de las aleaciones a base de níquel, su temperatura de operación no puede superar aproximadamente los 1,100 °C.

En los últimos años, las aleaciones de alta entropía, una mezcla de varios elementos metálicos y otros con propiedades deseables, han surgido como una alternativa prometedora para su uso en tales escenarios extremos. Notablemente, se espera que la aplicación de recubrimientos novedosos a las aleaciones de alta entropía recientemente desarrolladas permita que estos materiales se utilicen a temperaturas significativamente más altas.

En un nuevo desarrollo, un equipo de investigadores de la República de Corea, liderado por Joonsik Park, profesor de Ciencia de Materiales e Ingeniería en la Universidad Nacional de Hanbat, demostró los comportamientos de oxidación superiores de capas de recubrimiento de tamaño nano-grano estables producidas mediante recubrimientos de cementación en dos pasos de B y Si en aleaciones de alta entropía TiTaNbMoZr.

Sus hallazgos fueron publicados en el Journal of Materials Research and Technology.

En el estudio, los investigadores compararon la aplicación de recubrimiento de cementación de Si y recubrimiento de cementación de B-Si secuencial en la aleación TiTaNbMoZr. Encontraron que no solo la aleación sin tratar experimentó una oxidación extrema a 1,300 °C, sino que la aleación de alta entropía recubierta con cementación de Si también mostró formación de grietas debido a la oxidación de Zr-rich XSi₂ a ZrO₂, comprometiendo la integridad del recubrimiento.

Curiosamente, la aleación TiTaNbMoZr recubierta con cementación de B-Si desarrolló una capa de superficie estructuralmente estable compuesta de XB₂, XSi₂ y X₅SiB₂, demostrando una resistencia a la oxidación superior incluso a temperaturas muy altas.

Además, mientras que la aleación sin tratar y la aleación recubierta con cementación de Si demostraron altos aumentos de masa después de la oxidación a 1,300 °C durante 10 horas, su contraparte recubierta con B-Si mostró un aumento de masa significativamente menor bajo las mismas condiciones. Además, se encontró que la constante de tasa parabólica era bastante pequeña después de la formación de la capa de óxido protectora.

El punto clave de este estudio es que, incluso después de ser expuesta a una temperatura notablemente alta de 1,300 °C, la capa de recubrimiento de las aleaciones de alta entropía recientemente desarrolladas mantiene su nanostructura mientras protege efectivamente el sustrato. Este es el primer estudio que demuestra tal comportamiento.

"Actualmente, las aleaciones a base de níquel utilizadas en misiles pueden operar a alrededor de 1,100 °C, pero los resultados de nuestro estudio muestran que el nuevo material puede soportar temperaturas que superan con creces ese límite", destacó Prof. Park.

Este material puede aplicarse a componentes expuestos a llamas de alta temperatura, como los de cazas y misiles. Al utilizar el recubrimiento en varios materiales estructurales a alta temperatura, ofrece una amplia aplicabilidad para fines de defensa, así como en otros campos de ingeniería a altas temperaturas.

"En general, nuestros resultados confirman el potencial de las aleaciones de alta entropía para su uso en entornos a altas temperaturas y enfatizan el papel crítico de seleccionar estrategias de recubrimiento adecuadas adaptadas a la composición de la aleación", concluyó Prof. Park.