¿Qué diferencias hay entre las aleaciones tradicionales y las aleaciones de alta entropía?

Introducción

Las aleaciones tradicionales y las aleaciones de alta entropía (HEA) son dos tipos de materiales utilizados en diversas aplicaciones. Ambas están compuestas por elementos metálicos, pero existen varias diferencias clave entre ellas. En este artículo, exploraremos las diferencias entre las aleaciones tradicionales y las HEAs, incluyendo su composición, microestructuras, propiedades, aplicaciones y métodos de producción.

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Figura 1. Modelo automático de las HEA

Introducción a las aleaciones tradicionales y a las aleaciones de alta entropía

Las aleacionestradicionales combinan un elemento metálico con otros elementos metálicos o no metálicos. Estos tipos de aleaciones reservan algunas propiedades del metal base original, mientras que cambian algunas características, como la mejora de la resistencia o la promoción de la ductilidad.

Existe una gran variedad de elementos de aleación que pueden añadirse a los metales base. El cromo se suele añadir para mejorar la resistencia a la corrosión de las aleaciones; el wolframio es un elemento de aleación metálica que se utiliza para mejorar la resistencia al desgaste a altas temperaturas; mientras que la adición de carbono se añade con frecuencia en las aleaciones de acero y hierro fundido para mejorar la resistencia.

Las aleaciones de alta entropía se refieren a aleaciones que contienen 5 o más elementos principales, cada uno de los cuales tiene un porcentaje atómico entre el 5% y el 35%. La inclusión de múltiples elementos da lugar a una estructura complicada y a un efecto de alta entropía, que aportan a las HEA unas propiedades físicas y mecánicas únicas en comparación con las aleaciones convencionales.

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Aleaciones tradicionales VS. Aleaciones de alta entropía

-Composición

Las aleaciones tradicionales y las aleaciones de alta entropía tienen diferentes composiciones de elementos. Por un lado, las aleaciones convencionales suelen estar compuestas por dos o tres elementos metálicos en proporciones variables. Mientras que las aleaciones de alta entropía contienen al menos cinco elementos en proporciones atómicas iguales o aproximadamente iguales. Por otro, el metal base de las aleaciones tradicionales representa la mayor proporción, mientras que los elementos de las aleaciones de alta entropía ocupan proporciones iguales o casi iguales.

--Microestructura

Diferentes composiciones dan lugar a diferentes estructuras. Las aleaciones tradicionales suelen presentar una microestructura bien definida, como una estructura eutéctica o dendrítica, mientras que las HEA presentan una microestructura desordenada y homogénea. La naturaleza desordenada de los HEA conduce a una distribución aleatoria de los átomos, lo que reduce la aparición de transformaciones de fase, incluso a altas temperaturas.

--Propiedades

Las aleaciones tradicionales presentan una serie de propiedades que dependen de su composición y microestructura. Por ejemplo, algunas aleaciones tradicionales pueden ser resistentes pero quebradizas, mientras que otras pueden ser dúctiles pero tener poca resistencia.

Por el contrario, las HEA presentan una combinación superior de propiedades, como alta resistencia, ductilidad y estabilidad térmica, debido a su microestructura desordenada. Por ejemplo, VNbMoTaW es una aleación refractaria notable con un alto límite elástico de más de 600 MPa (87 ksi)) incluso a una temperatura de 1.400 °C, que podría superar incluso a las superaleaciones convencionales.

--Aplicaciones

Las aleaciones tradicionales son materiales muy utilizados en diversas aplicaciones, como la automoción, la industria aeroespacial y la construcción.

Los HEA, por su parte, son una clase de materiales relativamente nueva cuyas posibles aplicaciones aún se están explorando. Han demostrado ser prometedores en diversas aplicaciones, como las termoeléctricas de alta temperatura, los revestimientos resistentes al desgaste y los materiales estructurales.

Por ejemplo, los HEA se utilizan en la industria automovilística para fabricar piezas de motor, componentes de transmisión y otros equipos estructurales. Estas aleaciones también son materiales prometedores para aplicaciones nucleares gracias a sus propiedades mecánicas a altas temperaturas y a su resistencia a la radiación y la corrosión.

--Producción

El proceso de preparación de las aleaciones convencionales es relativamente sencillo, mientras que existen múltiples enfoques para producir aleaciones de alta entropía.

Las aleaciones tradicionales suelen producirse mediante métodos convencionales, como la fundición, la extrusión y la forja. Generalmente, el proceso incluye la fusión, mezcla, solidificación y posterior enfriamiento.

Sin embargo, la producción de HEA requiere técnicas especializadas (véase la Figura 2) debido a su compleja composición y microestructura. La mayoría se fabrican mediante fusión por arco y fusión por inducción. El procesamiento en estado sólido emplea la aleación mecánica. El procesado en fase gaseosa utiliza sputtering o epitaxia de haz molecular (MBE).

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Figura 2. Fabricación de HEA Fabricación de HEA

Conclusión

En una palabra, las aleaciones tradicionales y las aleaciones de alta entropía difieren en su composición, microestructura, propiedades, aplicaciones y métodos de producción. Mientras que las aleaciones tradicionales tienen una microestructura y propiedades bien definidas, las HEA ofrecen una combinación única de propiedades debido a su microestructura desordenada y homogénea. Los HEA constituyen una prometedora clase de materiales para diversas aplicaciones y aún se está explorando todo su potencial. Stanford Advanced Materials (SAM) es un proveedor fiable de aleaciones de alta entropía. Para más información, visite nuestra página web.

Referencias:

[1] Aleación de alta entropía. (2023, 5 de junio). En Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/High-entropy_alloy#See_also

[2] Zhang, Wei y Zhang, Yong. (2018). Ciencia y tecnología en aleaciones de alta entropía. Ciencia China ciencia de la tierra. 2-22.