Bajo costo y peso ligero: La aleación de titanio más resistente tiene como objetivo mejorar el ahorro de combustible de los vehículos y reducir las emisiones de CO2

Comunicado de prensa del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, 1 de abril de 2016

RICHLAND, Washington. – Una aleación de titanio mejorada, más fuerte que cualquier aleación de titanio comercial actualmente en el mercado, obtiene su fuerza de la novedosa forma en que los átomos están dispuestos para formar una nanoestructura especial. Por primera vez, los investigadores han podido ver esta alineación y luego manipularla para fabricar la aleación de titanio más resistente jamás desarrollada, y con un proceso de menor costo para arrancar.

Señalan en un artículo publicado el 1 de abril por Nature Communications que el material es un excelente candidato para producir piezas de vehículos más ligeras, y que esta nueva comprensión puede conducir a la creación de otras aleaciones de alta resistencia.

Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía sabían que la aleación de titanio fabricada a partir de un proceso de bajo costo en el que habían sido pioneros anteriormente tenía muy buenas propiedades mecánicas, pero querían saber cómo hacerla aún más resistente. Usando potentes microscopios electrónicos y un enfoque de imágenes de sonda atómica único, pudieron mirar profundamente dentro de la nanoestructura de la aleación para ver lo que estaba sucediendo. Una vez que entendieron la nanoestructura, fueron capaces de crear la aleación de titanio más fuerte jamás fabricada.

Mezclándolo

Al 45 por ciento del peso del acero de bajo carbono, el titanio es un elemento ligero pero no súper fuerte. Normalmente se mezcla con otros metales para hacerlo más fuerte. Hace cincuenta años, los metalúrgicos intentaron mezclarlo con hierro barato, junto con vanadio y aluminio. La aleación resultante, llamada Ti185, era muy fuerte — pero solo en algunos lugares. La mezcla tendía a agruparse, al igual que cualquier receta. El hierro se agrupó en ciertas áreas creando defectos conocidos como manchas beta en el material, lo que dificulta la producción comercial de esta aleación de manera confiable.

Hace unos seis años, PNNL y sus colaboradores encontraron una solución a ese problema y también desarrollaron un proceso de bajo costo para producir el material a escala industrial, que no se había hecho antes. En lugar de comenzar con titanio fundido, el equipo sustituyó el polvo de hidruro de titanio. Al usar esta materia prima, redujeron el tiempo de procesamiento a la mitad y redujeron drásticamente los requisitos de energía, lo que resultó en un proceso de bajo costo en uso ahora por una empresa llamada Advance Materials Inc. ADMA co-desarrolló el proceso con el metalúrgico de PNNL Curt Lavender y vende el polvo de hidruro de titanio y otros materiales avanzados a la industria aeroespacial y otros.

Herreros modernos

Al igual que un herrero medieval, los investigadores sabían que podían hacer que esta aleación fuera aún más fuerte tratándola con calor. Calentar la aleación en un horno a diferentes temperaturas y luego sumergirla en agua fría reorganiza esencialmente los elementos a nivel atómico de diferentes maneras, lo que hace que el material resultante sea más fuerte.

Una aleación de titanio mejorada, más fuerte que cualquier aleación de titanio comercial actualmente en el mercado, obtiene su fuerza de la novedosa forma en que los átomos están dispuestos para formar una nanoestructura especial. Por primera vez, los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han podido ver esta alineación y luego manipularla para hacerla aún más fuerte. Utilizando potentes microscopios electrónicos y un enfoque de imágenes de sonda atómica único en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE ubicada en PNNL, pudieron mirar profundamente dentro de la nanoestructura de la aleación para ver lo que estaba sucediendo.

La herrería ha pasado de ser una forma de arte a un ámbito más científico. Aunque los principios subyacentes son los mismos, los metalúrgicos ahora son más capaces de alterar las propiedades en función de las necesidades de la aplicación. El equipo de PNNL sabía que si podían ver la microestructura a nanoescala podrían optimizar el proceso de tratamiento térmico para adaptar la nanoestructura y lograr una resistencia muy alta.

«Descubrimos que si lo tratas térmicamente primero con una temperatura más alta antes de un paso de tratamiento térmico a baja temperatura, podrías crear una aleación de titanio 10-15 por ciento más resistente que cualquier aleación de titanio comercial actualmente en el mercado y que tiene aproximadamente el doble de la resistencia del acero», dijo Arun Devaraj, científico de materiales de PNNL. «Esta aleación sigue siendo más cara que el acero, pero con su relación resistencia-costo, se vuelve mucho más asequible con un mayor potencial para aplicaciones automotrices ligeras», agregó Vineet Joshi, metalúrgico de PNNL.

Devaraj y el equipo utilizaron microscopía electrónica para acercarse a la aleación a escala de cientos de nanómetros, aproximadamente 1.000 veces el ancho de un cabello humano promedio. Luego se acercaron aún más para ver cómo los átomos individuales están dispuestos en 3D utilizando un sistema de tomografía de sonda atómica en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE ubicada en PNNL.

La sonda de átomos desaloja solo un átomo a la vez y lo envía a un detector. Los átomos más ligeros «vuelan» al detector más rápido, mientras que los objetos más pesados llegan más tarde. Cada tipo de átomo se identifica en función del tiempo que tarda cada átomo en llegar al detector y la posición de cada átomo se identifica por el detector. Por lo tanto, los científicos pueden construir un mapa atómico de la muestra para ver dónde se encuentra cada átomo individual dentro de la muestra.

Mediante el uso de métodos de microscopía tan extensos, los investigadores descubrieron que mediante el proceso de tratamiento térmico optimizado, crearon regiones de precipitado de tamaño micrométrico y nanométrico, conocidas como fase alfa, en una matriz llamada fase beta, cada una con altas concentraciones de ciertos elementos.

«A los átomos de aluminio y titanio les gustaba estar dentro de los precipitados de fase alfa de tamaño nano, mientras que el vanadio y el hierro preferían pasar a la fase de matriz beta», dijo Devaraj. Los átomos están dispuestos de manera diferente en estas dos áreas. El tratamiento de las regiones a una temperatura más alta de 1,450 grados Fahrenheit logró una nano estructura jerárquica única.

Cuando la resistencia se midió tirando o aplicando tensión y estirándola hasta que falló, el material tratado logró un aumento del 10-15 por ciento en la resistencia, lo que es significativo, especialmente teniendo en cuenta el bajo costo del proceso de producción.

Si toma la fuerza con la que está tirando y la divide por el área del material, obtendrá una medida de resistencia a la tracción en megapascales. El acero utilizado para producir vehículos tiene una resistencia a la tracción de 800-900 megapascales, mientras que el aumento del 10-15 por ciento logrado en PNNL coloca a Ti185 en casi 1,700 megapascales, o aproximadamente el doble de la resistencia del acero para automóviles, mientras que es casi la mitad que la luz.

El equipo colaboró con Ankit Srivastava, profesor asistente en Texas A&el departamento de ingeniería y ciencia de materiales de M para desarrollar un modelo matemático simple para explicar cómo la nanoestructura jerárquica puede resultar en una resistencia excepcionalmente alta. El modelo, en comparación con los resultados de la microscopía y el procesamiento, llevó al descubrimiento de esta aleación de titanio más resistente jamás fabricada.

«Esto empuja los límites de lo que podemos hacer con las aleaciones de titanio», dijo Devaraj. «Ahora que entendemos lo que está sucediendo y por qué esta aleación tiene una resistencia tan alta, los investigadores creen que pueden modificar otras aleaciones creando intencionalmente microestructuras que se parecen a las de Ti185.»

Por ejemplo, el aluminio es un metal menos costoso y si la nanoestructura de aleaciones de aluminio se puede ver y organizar jerárquicamente de manera similar, eso también ayudaría a la industria automotriz a construir vehículos más livianos que usan menos combustible y emiten menos dióxido de carbono que contribuye al calentamiento climático.

El Programa de Materiales de Propulsión de la Oficina de Tecnologías de Vehículos de DOE apoyó esta investigación utilizando capacidades desarrolladas bajo la Iniciativa de Imágenes Químicas financiada internamente por PNNL.

EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, es una instalación nacional de usuarios científicos patrocinada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. Ubicado en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington., EMSL ofrece un entorno abierto y colaborativo para el descubrimiento científico a investigadores de todo el mundo. Sus recursos computacionales y experimentales integrados permiten a los investigadores realizar conocimientos científicos importantes y crear nuevas tecnologías.

Los equipos interdisciplinarios del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico abordan muchos de los problemas más apremiantes de los Estados Unidos en energía, medio ambiente y seguridad nacional a través de avances en ciencia básica y aplicada. Fundada en 1965, PNNL emplea a 4,400 personas y tiene un presupuesto anual de casi billion 1 mil millones. Es administrado por Battelle para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Como el mayor defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, la Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

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