Las aleaciones de alta entropía son conocidas por su mezcla casi equiatómica de múltiples elementos metálicos. Pueden funcionar bien simultáneamente en términos de resistencia, tenacidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. Se consideran la próxima generación de materiales estructurales clave para los campos aeroespacial y energético. Sin embargo, su preparación siempre ha enfrentado problemas tales como mezcla desigual y "moteado" de la estructura.Un equipo de investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) propuso recientemente un nuevo método de control de la trayectoria del láser para la impresión 3D de metal. Mediante la "agitación microscópica" del baño fundido durante el proceso de impresión, se mejoró con éxito la eficiencia de mezcla de aleaciones de alta entropía a escala atómica, mientras se imprimían directamente piezas con estructuras complejas.
Las aleaciones tradicionales suelen utilizar un solo metal como matriz, complementado con una pequeña cantidad de otros elementos para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, agregar una pequeña cantidad de carbono al hierro puede producir acero con una resistencia significativamente mejorada, y agregar níquel y cromo puede formar acero inoxidable con buena resistencia a la corrosión. A medida que la demanda de aplicaciones de ingeniería continúa aumentando, especialmente en turbinas, turbinas de gas, naves espaciales y otros escenarios donde los requisitos integrales de resistencia, durabilidad y resistencia a altas temperaturas se vuelven cada vez más estrictos, los sistemas de aleaciones de alta entropía que se basan en cinco o más metales con proporciones aproximadamente similares han comenzado a recibir una atención generalizada. Sin embargo, diferentes metales tienen enormes diferencias en densidad, punto de fusión y comportamiento de solidificación. Incluso si pueden fusionarse temporalmente a altas temperaturas, pueden separarse fácilmente durante el proceso de enfriamiento, formando zonas con propiedades significativamente diferentes y debilitando el rendimiento general del material. Como enfatizó el físico del NIST Fan Zhang, que participó en el estudio, para que las aleaciones de alta entropía aprovechen sus ventajas, deben lograr una mezcla suficiente y uniforme a escala atómica, lo que impone mayores requisitos al proceso de fabricación.
Actualmente, las rutas comunes para preparar aleaciones de alta entropía en laboratorios incluyen la fusión por arco, la pulvimetalurgia, etc. Pueden obtener muestras de investigación o lingotes simples, pero es difícil fabricar directamente piezas finales con cavidades internas complejas y composiciones locales ajustables. La tecnología de fusión selectiva por láser (Laser Powder Bed Fusion) en la fabricación de aditivos metálicos puede, en teoría, mezclar una variedad de polvos metálicos en un lecho de polvo y construir componentes con formas geométricas complejas mediante fusión y apilamiento capa por capa. Por lo tanto, se considera un camino potencial para realizar componentes complejos de aleaciones de alta entropía. En un proceso convencional, un láser de alta potencia se mueve a lo largo de una trayectoria de escaneo lineal sobre la superficie de una fina capa de polvo para formar un pequeño charco fundido de corta duración, que luego se enfría y solidifica rápidamente. Este proceso suele ser suficiente para que un solo metal o una aleación simple garantice el rendimiento. Sin embargo, para las aleaciones de alta entropía que requieren una mezcla completa de múltiples elementos, el tiempo de residencia del baño fundido es demasiado corto y el flujo interno es insuficiente, lo que dificulta la dispersión uniforme de los distintos componentes metálicos.
La solución propuesta por el equipo del NIST se refiere directamente al proceso de flujo y agitación dentro del baño fundido: "agitar" activamente el baño de metal fundido durante el proceso de impresión para mezclar múltiples elementos lo más completamente posible antes de la solidificación. En lugar de modificar significativamente el equipo a nivel de hardware, optaron por replanificar el método de movimiento del láser a nivel de software, reescribiendo la tradicional trayectoria de escaneo en línea recta en un camino de "bucle" compuesto por pequeñas curvas elípticas cerradas, lo que permite que el láser dibuje bucles repetidamente en un espacio extremadamente pequeño. Esta trayectoria del láser equivale a transformar el láser de una simple fuente de calor en una "herramienta de agitación" microscópica, creando efectos de convección y agitación más fuertes dentro del charco fundido, lo que obliga a que diferentes metales se mezclen de manera más completa y uniforme en poco tiempo. El equipo de investigación desarrolló un nuevo software de trayectoria de herramientas para generar estos complejos patrones de escaneo elípticos porque el software comercial de impresión 3D de metal existente aún no tiene capacidades similares.
Para verificar la efectividad de esta idea, los investigadores eligieron una combinación de materiales extremadamente difícil para la prueba: colocar la aleación refractaria de alta densidad y alta entropía RHEA-19 y la aleación liviana de titanio una al lado de la otra, y dejar que el láser explore el límite de los dos materiales a lo largo de una trayectoria elíptica. Las dos aleaciones tienen claras diferencias en densidad y propiedades térmicas. Se separan fácilmente en fases en condiciones de baño fundido convencionales y es difícil formar una nueva aleación uniforme. Por lo tanto, son muy adecuados para "preguntas de examen estrictas". Con esta disposición, el equipo espera observar si el baño fundido puede mezclar los dos materiales en una nueva aleación uniforme en el límite bajo la acción de "agitación" láser, en lugar de simplemente formar una estructura de dos fases con una interfaz clara.
Para comprender lo que sucede dentro del charco fundido, no basta con observar la muestra solidificada después del hecho, porque el proceso de fusión y solidificación ocurre en una escala de tiempo de menos de un segundo, y el metal de alta densidad es opaco a la luz visible, lo que dificulta que los métodos de imágenes convencionales "ver a través" del interior. Para este fin, los investigadores confiaron en la gran instalación de radiación sincrotrón de Advanced Photon Source (Fuente Avanzada de Fotones) en el Laboratorio Nacional de Argonne. Este acelerador circular del tamaño de un estadio puede proporcionar haces de rayos X extremadamente brillantes, adecuados para penetrar muestras de metal y obtener información estructural interna. El equipo utilizó tecnología de difracción de rayos X para registrar los patrones de dispersión de los rayos X dentro del material en tiempo real durante los procesos de fusión y solidificación, a partir de los cuales analizaron las trayectorias de evolución de la disposición atómica en diferentes etapas y construyeron una imagen de serie temporal de la estructura dinámica del charco fundido. Al mismo tiempo, también utilizaron microscopios electrónicos para realizar observaciones detalladas del material solidificado final para confirmar si la estructura de la aleación lograba la uniformidad y el potencial de rendimiento esperados.
La evidencia experimental muestra que la estrategia de "agitación" con láser mejora una combinación de materiales que de otro modo sería difícil de mezclar, con regiones límite que forman nuevas estructuras de aleación que se mezclan de manera más uniforme, en lugar de simplemente estratificarse o fragmentarse. Más importante aún, la investigación muestra que el diseño de la trayectoria del láser no solo afecta la geometría de formación, sino que también puede usarse como parámetro clave del proceso para controlar el método de formación de la aleación y promover la mezcla de múltiples elementos. Esto proporciona una nueva dimensión de control para el desarrollo de nuevos sistemas de aleaciones utilizando métodos de fabricación aditiva. En conjunto, la solución técnica propuesta por el equipo utiliza la plataforma de fusión de lecho de polvo láser existente para lograr simultáneamente la preparación de materia prima de aleación de alta entropía y la formación de piezas finales complejas en el mismo proceso a través del control de trayectoria definido por software.
Desde una perspectiva a más largo plazo, el impacto de este trabajo va más allá de imprimir una determinada aleación "complicada" de alta entropía. En la actualidad, la impresión 3D de metal a menudo se basa en un único polvo prealeado. Fabricar diferentes aleaciones significa preparar una variedad de polvos correspondientes, lo que resulta complicado en términos de coste, logística y adaptación del proceso. La idea de "mezcla láser" propuesta por el NIST apunta a otra posibilidad: poner polvos metálicos relativamente básicos en el mismo equipo y mezclarlos según demanda dentro del equipo a través del control de la trayectoria del láser y de los parámetros del proceso, similar a una impresora a color que mezcla algunas tintas para producir colores intensos, convirtiendo la plataforma de fabricación aditiva en una fábrica de aleaciones que integra la "formulación" y el conformado in situ. Una vez que se implementen las aplicaciones maduras, los equipos de impresión no solo pueden reducir los tipos de polvo y los costos de inventario, sino también realizar un diseño de gradiente de componentes dentro de una sola pieza, por ejemplo, usando fórmulas de aleaciones más resistentes al calor en áreas de alta temperatura de las palas de turbina, y usando fórmulas que equilibran la resistencia y la densidad en áreas estructurales que soportan carga o reducen el peso, sin la necesidad de soldar o conectar mecánicamente diferentes componentes de materiales.
Por supuesto, esta tecnología aún se encuentra en la etapa de investigación y verificación y no es una solución industrial lista para usar. El comportamiento de diferentes sistemas de aleaciones en el baño fundido es muy diferente. La mezcla es sólo un vínculo. En aplicaciones de ingeniería, también se deben controlar simultáneamente múltiples variables como la tendencia a las grietas, los defectos de los poros, la tensión residual, la velocidad de enfriamiento, la calidad del polvo y el tratamiento térmico posterior. Además, el ecosistema de software comercial y los sistemas de control de equipos también deben realizar un seguimiento para respaldar rutas de herramientas láser tan complejas y estrategias de mezcla de aleaciones de forma regular en escenarios industriales. Los resultados de una investigación relevante se publicaron en la revista "Additive Manufacturing", lo que proporciona una nueva dirección de proceso con una base empírica para la futura fabricación aditiva de aleaciones de alta entropía y piezas estructurales complejas.