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Las aleaciones de alta entropía (HEA) se consideran actualmente una clase clave de materiales para aplicaciones de alto rendimiento en el sector aeroespacialla generación de energía y la construcción de turbinas y reactores. Debido a su compleja composición multicomponente, presentan combinaciones únicas de alta resistencia, temperatura y resistencia a la oxidación. resistencia a la oxidación – pero al mismo tiempo son extremadamente difíciles de caracterizar. Por lo tanto, el análisis térmico preciso y la determinación de las propiedades termofísicas son factores clave para el desarrollo específico y la simulación de los HEA y su transferencia a aplicaciones industriales (Odetola et al., 2024).
¿Qué son las aleaciones de alta entropía?
Las aleaciones de alta entropía -también conocidas como aleaciones de elementos multiprincipales o aleaciones concentradas complejas- suelen constar de al menos cinco elementos principales en un rango de 5-35 at.-%. A diferencia de las aleaciones clásicas con un elemento base dominante (por ejemplo, Ni, Co o Fe metal conductor), las propiedades de las HEA vienen determinadas por la mezcla y el efecto de entropía de varios elementos (Odetola et al., 2024). La elevada entropía configuracional suele estabilizar las fases de solución sólida simples (FCC, BCC, HCP) y da lugar a diversos «efectos de núcleo», como una fuerte distorsión de la red, una difusión lenta y efectos sinérgicos de las propiedades («efecto cóctel»).
Los HEA son especialmente interesantes para aplicaciones de alto rendimiento porque ofrecen un equilibrio excepcional de resistencia, tenacidad, estabilidad térmica y, a menudo, también una mayor resistencia a la oxidación y al desgaste (Odetola et al., 2024; Liu et al., 2023). Las áreas típicas de aplicación son los álabes de turbina, los componentes de reactores y cámaras de combustión, así como los componentes estructurales de alta temperatura, donde las superaleaciones convencionales alcanzan sus límites.
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Por qué el análisis térmico es crucial para los EAH
Tratar con sistemas multicomponentes genera diagramas de fases extremadamente complejos, a veces vagamente definidos. Sin un análisis térmico sólido, difícilmente pueden predecirse con fiabilidad las transiciones de fase, los rangos de estabilidad y el comportamiento de reacción. Por tanto, el análisis térmico proporciona la base para una evaluación fiable del material y para la validación de los modelos termodinámicos (CALPHAD, cálculos de entropía) (Odetola et al., 2024).
La dependencia de la temperatura de la estabilidad de fase y del comportamiento de difusión es especialmente crítica para los HEA:
- La estabilidad de fase en los HEA está dominada en gran medida por la contribución de la entropía; al aumentar la temperatura, las soluciones sólidas simples suelen estabilizarse a expensas de las fases complejas intermetálicas o de Laves (Odetola et al., 2024).
- El comportamiento de difusión se retrasa considerablemente en los HEA («difusión lenta»), lo que favorece la formación de nanoprecipitados finos y estables y una elevada estabilidad a la fluencia (Odetola et al., 2024).
- El comportamiento de la reacción y la oxidación dependen en gran medida de la temperatura, la atmósfera y la composición; el análisis térmico bajo gas inerte o aire proporciona información decisiva sobre los procesos de oxidación y descomposición (por ejemplo, mediante mediciones STA).
La estabilidad térmica puede determinarse sin análisis térmico, el comportamiento de las fases y, por tanto, también las ventanas del proceso de fundición, tratamiento térmico o fabricación aditiva no pueden definirse de forma fiable, por lo que no es posible una evaluación fiable del material (Odetola et al., 2024).
Métodos de medición relevantes para los EAH
Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
DSC es una técnica clave para determinar las transiciones de fase, las curvas de fusión y solidificación, así como la capacidad calorífica en los HEA. La metalurgia de los HEA muestra a menudo varias superposiciones de transformaciones de fase (por ejemplo, FCC-↔-BCC, formación o disolución de fases Laves o γ’), que pueden verse en las curvas DSC como picos endotérmicos o exotérmicos (Odetola et al., 2024; Liu et al., 2023).
Mediante la integración de las curvas DSC, la capacidad calorífica molar molar que, a su vez, proporciona información sobre la entropía térmica y la estabilidad de las fases de solución sólida (Odetola et al., 2024). La caracterización basada en el DSC también ayuda a seleccionar los parámetros de los procesos de tratamiento térmico (recocido, envejecimiento) y a identificar las temperaturas de recocido de la solución para las fases γ’ o Laves (Liu et al., 2023).
Análisis térmico simultáneo (STA / TGA-DSC)
Medidas STA (combinadas termogravimetría y análisis calorimétrico) proporcionan datos de masa y calor al mismo tiempo y son útiles para evaluar la estabilidad térmica y el comportamiento de oxidación de los HEA. En los HEA, la masa (por ejemplo, debido a reacciones de oxidación o descomposición) y el estado de fase suelen cambiar en el mismo intervalo de temperatura, por lo que una medición acoplada facilita mucho la interpretación (Odetola et al., 2024; Liu et al., 2023).
Aplicaciones STA típicas:
- Determinación de los puntos de partida de la oxidación y de la pérdida de masa a altas temperaturas (por ejemplo, 800-1200 °C).
- Identificación de efectos de descomposición o desorción, por ejemplo, en revestimientos o aleaciones de bajo contenido en óxidos.
- Determinación de la estabilidad térmica y de las temperaturas de equilibrio para la formación de fases.
De este modo, la STA proporciona una base de datos directa para la selección de atmósferas de gas o aire de protección en los procesos de fabricación y funcionamiento.
Análisis de Flash Láser (LFA)
El análisis de flash láser permite determinar la difusividad térmica y -derivada de ésta- la conductividad térmica en un amplio intervalo de temperaturas. Los HEA suelen mostrar mezclas inusuales de conductividad térmica de moderada a baja y alta estabilidad mecánica, lo que resulta especialmente interesante para el diseño térmico (Liu et al., 2023; Odetola et al., 2024).
El método LFA es especialmente adecuado para muestras HEA densas y homogéneas, y proporciona datos de entrada importantes para las simulaciones térmicas:
- La difusividad térmica describe la rapidez con la que se establece un campo de temperatura en la muestra.
- La conductividad térmica (λ) suele calcularse a partir de la difusividad, el calor específico y la densidad, y es decisiva para el diseño de estrategias de refrigeración (por ejemplo, en álabes de turbinas o componentes de reactores).
La combinación de DSC (para cpc_pcp) y LFA (para \(a\)) permite una caracterización termofísica completa y dependiente de la temperatura de los HEA.
Dilatometría
La dilatometría mide el cambio de longitud de las muestras de HEA con la temperatura y, por tanto, proporciona información directa sobre la dilatación térmica (CTE) y las transformaciones de fase. Los HEA con paisajes de fase complejos (estructuras mixtas FCC/BCC, microestructuras eutécticas o laminares) suelen mostrar curvas de CET no lineales, que aparecen como pliegues o mesetas en los datos del dilatómetro (Liu et al., 2023; Odetola et al., 2024).
Aplicaciones típicas:
- Determinación del coeficiente de dilatación lineal (CTE ) en rangos de temperatura relevantes.
- Identificación de las transformaciones de fase (por ejemplo, formación de BCC, vaina de Laves, solución γ’).
- Investigación de los procesos de sinterización y difusión, especialmente en muestras de HEA fabricadas aditivamente o compactadas.
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Propiedades termofísicas importantes de los HEA
Los HEA combinan una variedad de propiedades termofísicas que resultan directamente de su estructura multicomponente y de los «efectos de núcleo» antes mencionados:
- La conductividad térmica suele ser de baja a moderada, debido a la alteración de las vías de conducción del calor y al aumento de la dispersión de fonones (Liu et al., 2023).
- La difusividad térmica puede variar en función de la microestructura; las fases laminares o nanoescalares suelen ser menos conductoras térmicamente.
- El calor térmico/específico se determina mediante DSC y se utiliza para calcular la entropía térmica y la energía de Gibbs (Odetola et al., 2024).
- La expansión térmica (CET) depende de la frecuencia y de la tensión, y puede diferir mucho de las aleaciones convencionales en los HEA.
- La resistencia a la oxidación viene determinada en gran medida por la formación de capas de óxido complejas y multicomponentes, que presentan una mejor estabilidad a largo plazo en muchas HEA que en las superaleaciones clásicas (por ejemplo, los sistemas basados en Ni) (Liu et al., 2023).
Los HEA refractarios (RHEA), en particular, muestran un patrón común: alta resistencia y resistencia a la fluencia combinadas con una conductividad térmica de moderada a baja, un perfil muy atractivo para componentes de alta temperatura (Liu et al., 2023; Odetola et al., 2024).
Aplicaciones típicas de los HEA
Las excelentes propiedades térmicas y mecánicas de los HEA los hacen muy atractivos para aplicaciones de alto rendimiento:
- Turbinas y componentes de alta temperatura: Se están investigando los HEA para álabes de turbinas, componentes de cámaras de combustión y tuberías de alta temperatura; su combinación de alta resistencia y superficie resistente a la oxidación es ventajosa frente a las superaleaciones clásicas (Liu et al., 2023).
- Tecnología nuclear: La estructura estable a la temperatura y la radiación de muchos HEA y su mayor resistencia a la corrosión y la oxidación en entornos agresivos los hacen interesantes para el revestimiento del combustible y los componentes estructurales (Odetola et al., 2024).
- Recubrimientos resistentes al desgaste: Los recubrimientos de HEA presentan una excelente estabilidad térmica y una gran resistencia al desgaste, por ejemplo, en aplicaciones tribológicas a alta temperatura (Liu et al., 2023).
- Sistemas energéticos: Los HEA de alta temperatura se están investigando para el almacenamiento de calor a alta temperatura, componentes de reactores y turbomaquinaria en centrales eléctricas de alta temperatura y accionamientos hipersónicos (Odetola et al., 2024).
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Requisitos de medición en el laboratorio
La caracterización de los HEA en el laboratorio requiere una serie de requisitos específicos:
- Se necesitan altas temperaturas (>1000 °C, a veces hasta 1500-1600 °C) para captar los rangos de fase y difusión relevantes.
- Las condiciones de gas inerte y vacío son esenciales para evitar oxidaciones o contaminaciones no deseadas.
- La preparación de las muestras debe garantizar la máxima homogeneidad, ya que el análisis térmico depende de muestras químicamente homogéneas y estructuralmente uniformes.
- La reproducibilidad es crucial; muchos HEA presentan un comportamiento de fase muy dependiente de los perfiles de temperatura y tiempo, por lo que se necesitan protocolos de medición normalizados y sistemas automatizados.
Una combinación de mediciones de DSC, STA, LFA y dilatometría proporciona una caracterización completa y multidimensional, esencial para el desarrollo y la validación de los HEA (Odetola et al., 2024; Liu et al., 2023).
Conclusión
El análisis térmico es un factor clave para el desarrollo y la utilización industrial de las aleaciones de alta entropía. Sin datos térmicos y termofísicos precisos, las transiciones de fase, la estabilidad térmica y el comportamiento a largo plazo de las HEA no pueden simularse ni transferirse con fiabilidad a las aplicaciones técnicas. La combinación de varios métodos de medición -DSC, STA, LFA, dilatometría- proporciona una visión completa de la dimensión térmica de los HEA y apoya el desarrollo de componentes de alta temperatura en sistemas aeroespaciales, energéticos y metalúrgicos de alto rendimiento.
Bibliografía
Liu, Y. et al. (2023) Propiedades a alta temperatura y diseño termodinámico de aleaciones avanzadas de alta entropía. En: Advanced Materials Review, 15, pp. 123-145.
Odetola, P. et al. (2024) Exploración de aleaciones de alta entropía: Una revisión sobre diseño termodinámico y estrategias de modelización computacional para aplicaciones de materiales avanzados. En: Heliyon, 10(22), e39660.
