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Hay un problema con los metales que habitualmente usamos para fabricar motores: a partir de cierta temperatura, se funden. La cerámica es una opción, pero no es lo suficientemente dúctil como para moldear piezas complejas y se agrieta, por lo que resulta inviable para soportar vibración y esfuerzos mecánicos.
La ingeniería de materiales lleva más de 60 años buscando ese material imposible y un equipo de la Universidad Jiaotong de Xi’an parece haberlo logrado con una aleación de tantalio aguanta carga mecánica cuando está a más 2.000 °C.
La aleación prodigiosa. El tantalio tiene un punto de fusión extremadamente alto (supera los 3000 °C), de modo que es uno de los metales refractarios más resistentes al calor que hay. Pero incluso en forma de aleación (las comerciales que ya existen), pierde resistencia mecánica drásticamente mucho antes de alcanzar esa temperatura. Así que el equipo de investigación diseñó una aleación basada en tantalio-tungsteno-renio, a la que añadieron una pizca de boro.
Por qué es importante. En una frase: porque este nuevo material aguanta cargas incluso a 2.400 °C, algo que ningún metal había logrado antes. La NASA llevaba experimentando con aleaciones de tantalio desde finales de los años 50, un trabajo que dio lugar a su aleación de referencia, el T-222, cuya resistencia cae por debajo de 100 MPa a partir de 1.926 °C. Pues bien, a esos mismos 2.000 °C, la nueva aleación china duplica esa cifra hasta los 200 MPa.
Más allá del hito y de mirar por el retrovisor a la agencia espacial estadounidense, esta nueva aleación tiene potenciales aplicaciones como el diseño de turbinas de gas, toberas de cohetes, sistemas de protección térmica de naves reutilizables y componentes de reactores nucleares avanzados. A efectos prácticos, aporta dos ventajas: poder operar a temperaturas más altas, lo que normalmente se traduce en motores más eficientes, y en menor necesidad de sistemas de refrigeración.
Contexto. El equipo de investigación señala en el paper que por regla general, al superar aproximadamente el 60% de la temperatura de fusión de un metal, su microestructura se reorganiza y la resistencia cae en picado. La excepción está en las superaleaciones de níquel, que gracias a su estructura cristalina especial son capaces de aguantar por encima del 70% de ese umbral. Precisamente las superaleaciones de níquel constituyen el estándar actual en motores de avión y de cohetes, pero aún así, empiezan a perder integridad estructural entre 1.200 y 1.500 °C.
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Cómo lo han hecho. A esa base de tantalio-tungsteno-renio le añaden una pequeña cantidad de diboruro de hafnio, un compuesto cerámico. Este reacciona con el oxígeno presente como impureza en el metal, formando miles de nanopartículas de óxido de hafnio de apenas 50 nanómetros y liberando boro en el proceso.
En lugar de acumularse en los bordes de grano, como es habitual en las aleaciones convencionales reforzadas con óxido, estas partículas se distribuyen de forma uniforme, lo que evita la deformación cuando el material se calienta. El boro liberado se concentra justo en la interfaz entre esas nanopartículas y el metal que las rodea, actuando como una barrera que impide que crezcan. El resultado es un material que no solo es resistente en caliente, sino también dúctil a temperatura ambiente. Según los autores, esta combinación «supera a todas las aleaciones refractarias previamente reportadas».
Sí, pero. La nueva aleación china pinta muy bien, pero de momento las pruebas son preliminares y solo se han hecho en laboratorio. Hay factores como la resistencia a ciclos repetidos de enfriamiento y calentamiento, oxidación en condiciones reales o el comportamiento tras años de servicio son aún asignaturas pendientes. En cualquier caso, el tantalio es un metal escaso y caro, lo que constituye un hándicap para la producción a gran escala.
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La noticia
No hay aleación de metal capaz de soportar carga a más de
2.400 ºC sin ceder. China acaba de decir «sujétame el cubata»
fue publicada originalmente en
Xataka
por
Eva R. de Luis
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