Recientemente, el equipo de aleación de aluminio resistente a altas temperaturas del Laboratorio Nacional Clave de Resistencia de Materiales Metálicos de la Universidad Xi'an Jiaotong colaboró con la Universidad Jiao Tong de Shanghai y la Universidad de Grenoble en Francia para abordar conjuntamente un problema de investigación. Consiguieron avances significativos en el estudio de aleaciones de aluminio resistentes a altas temperaturas y de alta resistencia a niveles de 500 °C mediante el uso de métodos de fabricación aditiva. El equipo de investigación propuso una nueva estrategia de diseño llamada "estabilización de enclavamiento dual de estabilidad térmica", que permite que dos tipos de nanopartículas resistentes a altas temperaturas crezcan en pares y se "bloqueen" entre sí dentro de un espacio tridimensional, logrando un efecto de estabilización organizacional de alta temperatura que es mayor que la suma de sus partes (1+1>2). Los resultados de la investigación relacionados se publicaron en "Today's Materials".
El equipo de investigación utilizó el efecto de retención de solutos de la solidificación fuera de equilibrio en la fabricación aditiva, añadiendo trazas de elementos de escandio y circonio, para formar una estructura nanoamorfa densa de aluminio-vanadio-escandio-zirconio (Al-V-Sc-Zr) alrededor de la estructura similar a una célula unitaria; Después de un breve tratamiento térmico a 400 °C, se produjo una transformación de fase de acoplamiento in situ entre la estructura celular y la estructura amorfa circundante, dominada por la difusión de átomos de V. Las dos fases se combinaron estrechamente y se distribuyeron en pares, formando una fase compuesta de nanoprecipitado. La fracción de volumen total alcanzó aproximadamente el 37,7% en volumen, con un tamaño medio de sólo 56 nanómetros. El contenido y el grado de refinamiento de la fase precipitada fueron muy superiores a los de las aleaciones de aluminio resistentes al calor preparadas mediante procesos tradicionales.
La demanda de indicadores duales de rendimiento de materiales estructurales livianos y capacidad de servicio a alta temperatura, que generalmente son difíciles de lograr simultáneamente en campos clave como el aeroespacial, la energía avanzada y la fabricación de equipos de alta gama, se está volviendo cada vez más urgente. Las aleaciones de aluminio ligeras, de alta resistencia y resistentes al calor son uno de los principales materiales candidatos para lograr una reducción del peso estructural. En los últimos años, las aleaciones de aluminio resistentes al calor se han convertido en un punto de investigación en la industria, y gradualmente se han desarrollado nuevos tipos de materiales de aleación de aluminio con una temperatura de servicio superior a 200 ℃. El equipo propuso una estrategia de diseño para acoplar átomos de soluto de difusión rápida con átomos de difusión lenta, desarrolló una serie de aleaciones de aluminio de alta resistencia resistentes al calor a temperaturas que oscilan entre 300 y 400 ℃ y logró avances en aplicaciones de ingeniería.
Para cumplir con los requisitos de temperatura más altos, 500 ℃ (aproximadamente 0,83 Tm, donde Tm es la temperatura absoluta del punto de fusión) se ha reconocido como la temperatura máxima insuperable para las aleaciones de aluminio en servicio; esto significa que las áreas de alta temperatura, como las que rodean el motor, hasta la fecha solo pueden usar aleaciones de titanio más densas o aleaciones de alta temperatura, y el potencial de reducción de peso no se puede explotar más. Las aleaciones de aluminio resistentes al calor hasta 500 ℃ serán un material disruptivo y un avance tecnológico en el campo de las aleaciones de aluminio.
La investigación reveló además que esta estructura simbiótica de doble fase ha formado un efecto único de "restricción mutua del crecimiento": las interfaces entre las dos partículas de nanofase están entrelazadas mutuamente, lo que desde la perspectiva dinámica inhibe el engrosamiento a alta temperatura de la fase precipitada. Este mecanismo de estabilización basado en restricciones dinámicas es diferente de las ideas tradicionales de estabilización dominada por la termodinámica, como la segregación de solutos en la interfaz y el fortalecimiento de la energía de enlace de la red. Dota a la fase precipitada compuesta de una capacidad anti-grueso sin precedentes. La extraordinaria estabilidad térmica de la microestructura ha generado propiedades mecánicas innovadoras a alta temperatura. Esta aleación tiene una resistencia a la tracción de hasta 230 megapascales a 400 °C y aún mantiene una alta resistencia de aproximadamente 120 megapascales a 500 °C, superando significativamente los niveles de resistencia a altas temperaturas de las aleaciones de aluminio de fundición y fabricación aditiva existentes. La capacidad de resistir una deformación lenta a largo plazo (tasa de fluencia en estado estacionario) a 400°C y 500°C es 2-3 órdenes de magnitud mayor que la de las aleaciones de aluminio resistentes al calor existentes. Su resistencia a la fluencia a 500°C incluso supera el rendimiento de la mayoría de las aleaciones de aluminio resistentes al calor tradicionales a 400°C.
Esta investigación es la primera en elevar la temperatura de servicio de aleaciones de aluminio fabricadas aditivamente con conformación casi neta (resultados de impresión cercanos a la forma final de la pieza y que casi no requieren procesamiento adicional) al rango de 500 ℃. Ha roto la percepción tradicional de que "las aleaciones de aluminio de alta temperatura y alta resistencia no pueden exceder el límite de servicio de 500 ℃", proporcionando un nuevo paradigma de "estabilización de restricciones dinámicas" para el diseño de microestructuras de aleaciones ligeras de alta temperatura. Se espera lograr una reducción significativa del peso y una mejora de la eficiencia energética en componentes estructurales aeroespaciales de alta temperatura y piezas de intercambio de calor de nuevos equipos energéticos, etc.
