Las aleaciones reforzadas por dispersión de óxido ( ODS ) son aleaciones que consisten en una matriz metálica con pequeñas partículas de óxido dispersas en su interior. Tienen alta resistencia al calor, fuerza y ductilidad . Las aleaciones de níquel son las más comunes, pero también incluyen aleaciones de hierro y aluminio . [1]
Las aplicaciones incluyen álabes de turbinas de alta temperatura y tubos de intercambiadores de calor , [2] mientras que los aceros se utilizan en aplicaciones nucleares. [3] Los materiales ODS se utilizan en naves espaciales para proteger el vehículo, especialmente durante el reingreso . Las aleaciones ODS de metales nobles, por ejemplo, aleaciones basadas en platino, se utilizan en la producción de vidrio.
Cuando se trata de reingresar a velocidades hipersónicas , las propiedades de los gases cambian drásticamente. Se generan ondas de choque que pueden causar graves daños en cualquier estructura. A estas velocidades y temperaturas, el oxígeno se vuelve agresivo.
El fortalecimiento por dispersión de óxido se basa en la incoherencia de las partículas de óxido dentro de la red del material. Las partículas coherentes tienen un plano de red continuo desde la matriz hasta las partículas, mientras que las partículas incoherentes no tienen esta continuidad y, por lo tanto, ambos planos de red terminan en la interfaz. Este desajuste en las interfaces da como resultado una alta energía interfacial, que impide la dislocación. [4] Las partículas de óxido, en cambio, son estables en la matriz, lo que ayuda a prevenir la fluencia. La estabilidad de las partículas implica poco cambio dimensional, fragilización, efectos sobre las propiedades, espaciamiento estable de las partículas y resistencia general al cambio a altas temperaturas. [5]
Como las partículas de óxido son incoherentes, las dislocaciones solo pueden superarlas mediante el ascenso . Si, en cambio, las partículas son semicoherentes o coherentes con la red, las dislocaciones pueden simplemente cortar las partículas mediante un proceso más favorable que requiere menos energía llamado deslizamiento de dislocación o mediante curvatura de Orowan entre partículas, ambos mecanismos atérmicos. El ascenso por dislocación es un proceso difusional, que es menos favorable energéticamente y ocurre principalmente a temperaturas más altas que proporcionan suficiente energía para avanzar mediante la adición y eliminación de átomos. [6] Debido a que las partículas son incoherentes, los mecanismos de deslizamiento por sí solos no son suficientes y el proceso de ascenso, más agotador energéticamente, es dominante, lo que significa que las dislocaciones se detienen de manera más efectiva. El ascenso puede ocurrir en la interfaz partícula-dislocación (ascenso local) o superando múltiples partículas a la vez (ascenso general). En el ascenso local, la parte de la dislocación que está entre dos partículas permanece en el plano de deslizamiento mientras que el resto de la dislocación asciende a lo largo de la superficie de la partícula. En el caso de la ascensión general, todas las dislocaciones salen del plano de planeo. La ascensión general requiere menos energía porque el mecanismo disminuye la longitud de la línea de dislocación, lo que reduce la energía de deformación elástica y, por lo tanto, es el mecanismo de ascensión común. [7] Para fracciones de volumen γ' de 0,4 a 0,6 en aleaciones a base de níquel, la tensión umbral para la ascensión local es solo aproximadamente entre 1,25 y 1,40 veces mayor que la de la ascensión general. [8]
Las dislocaciones no se limitan a un ascenso local o general, ya que se toma el camino que requiere menos energía. El ascenso cooperativo es un ejemplo de un mecanismo más matizado en el que una dislocación se desplaza alrededor de un grupo de partículas en lugar de ascender por encima de cada partícula individualmente. McLean afirmó que la dislocación es más relajada cuando se asciende por encima de varias partículas debido a que se saltan algunas de las interfaces abruptas entre los segmentos en el plano de deslizamiento y se pasan a segmentos que se desplazan a lo largo de la superficie de la partícula. [9]
La presencia de partículas incoherentes introduce una tensión umbral (σ t ), ya que se deberá aplicar una tensión adicional para que las dislocaciones se muevan más allá de los óxidos por ascenso. Después de superar una partícula por ascenso, las dislocaciones pueden permanecer fijadas en la interfaz partícula-matriz con un fenómeno atractivo llamado fijación interfacial, [10] [11] que requiere una tensión umbral adicional para liberar una dislocación de esta fijación, que debe superarse para que se produzca la deformación plástica. [12] Este fenómeno de desprendimiento es el resultado de la interacción entre la partícula y la dislocación donde se reduce la energía de deformación elástica total. [13] Schroder y Arzt explican que la tensión adicional requerida se debe a la relajación causada por la reducción en el campo de tensión a medida que la dislocación sube y se adapta a la tracción de corte. [14] Las siguientes ecuaciones representan la tasa de deformación y la tensión como resultado de la introducción de óxido.
Tasa de deformación:
Esfuerzo cortante umbral:
Las propiedades de fluencia de los aceros ODS dependen de las características de las partículas de óxido en la matriz metálica, específicamente de su capacidad para evitar el movimiento de dislocación, así como del tamaño y la distribución de las partículas. Hoelzer y sus colaboradores demostraron que una aleación que contiene una dispersión homogénea de nanoagrupaciones de Y2Ti2O7 de 1-5 nm tiene propiedades de fluencia superiores a una aleación con una dispersión heterogénea de nanoagrupaciones de 5-20 nm de la misma composición. [15]
Los aceros ODS se producen comúnmente a través del molido de bolas de un óxido de interés (por ejemplo, Y2O3 , Al2O3 ) con polvos metálicos prealeados seguido de compresión y sinterización . Se cree que los óxidos entran en solución sólida con el metal durante el molido de bolas y posteriormente precipitan durante el tratamiento térmico. Este proceso parece simple, pero muchos parámetros deben controlarse cuidadosamente para producir una aleación exitosa. Leseigneur y colaboradores controlaron cuidadosamente algunos de estos parámetros y lograron microestructuras más consistentes y mejores. [16] En este método de dos pasos, el óxido se muele en bolas durante períodos más largos para garantizar una solución sólida homogénea del óxido. El polvo se recoce a temperaturas más altas para comenzar una nucleación controlada de los grupos de óxido. Finalmente, el polvo se comprime y sinteriza nuevamente para producir el material final.
La NASA utilizó la fabricación aditiva para sintetizar una aleación que denominaron GRX-810, que sobrevivió a temperaturas superiores a 1090 °C (1990 °F). La aleación también presentó una mayor resistencia, maleabilidad y durabilidad. La impresora dispersó partículas de óxido de manera uniforme en toda la matriz metálica. La aleación se identificó mediante 30 simulaciones de modelado termodinámico. [17] [18]
Ventajas:
Desventajas:
