Aleación nanoestructurada de alta entropía fealnicuco: Diseño, síntesis y caracterización
- Autores: Isabel López Jiménez
- Directores de la Tesis: Núria Llorca i Isern (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José María Cabrera Marrero (presid.), Irene García Cano (secret.), Juan José Suñol Martínez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad de Barcelona
- Materias:
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- Resumen
Durante los últimos años el estudio de las aleaciones de alta entropía, o high entropy alloys (HEA), ha sido un tema en auge. Las HEA presentan de cinco a más elementos en proporción equimolar y una microestructura de solución sólida. Aunque, a día de hoy, la comunidad científica no ha llegado a una definición clara de cuáles son los criterios que deben cumplir estas aleaciones.
Las aleaciones HEA presentan propiedades excelentes de resistencia a la corrosión y a la oxidación, una gran dureza y estabilidad térmica. Sus óptimas características las están haciendo muy interesantes para aplicaciones estructurales en la industria aeronáutica, en aplicaciones relacionadas con la energía y en la industria química de la catálisis, entre otras. Las propiedades de estos materiales son debidas a los cuatro efectos que condicionan su naturaleza: la entropía de mezcla, la difusión lenta, la distorsión de red y el efecto cóctel.
Una ruta poco utilizada para su síntesis, a pesar de sus ventajas, es la ruta en estado sólido. Gracias a la aleación mecánica (MA) es posible obtener soluciones sólidas de sistemas termodinámicamente inmiscibles y materiales nanoestructurados. Este método se ha empleado durante años para la producción de multitud de materiales y piezas de pulvimetalúrgia.
Esta tesis doctoral plantea la síntesis de tres aleaciones HEA donde la proporción de los elementos no es equiatómica. Los elementos escogidos han sido Fe, Al, Ni, Cu y Co en diferentes proporciones. Las aleaciones convencionales de estos elementos muestran de por si propiedades sobresalientes y gran variedad de aplicaciones. La síntesis de la aleación FeAlNiCuCo pretende contribuir al debate de la obtención de una HEA con solución sólida, a pesar de que su proporción de elementos no sea equimolar. En el trabajo se plantea encontrar las condiciones óptimas de síntesis de estas nuevas aleaciones mediante MA y estudiar sus propiedades físico-químicas.
Esta investigación parte de una primera etapa de búsqueda y evaluación de los parámetros que las hacen únicas. Se realiza un estudio bibliográfico de los indicadores termodinámicos que debe cumplir una HEA. También se evalúan las diferentes técnicas de síntesis utilizadas actualmente, considerando las ventajas y desventajas que presentan.
La primera etapa de estudio bibliográfico ha permitido obtener toda la información necesaria para plantear un diseño de la aleación FeAlNiCuCo que cumpla con todos los parámetros termodinámicos fijados para la obtención de una solución sólida. Seguidamente, se ha decidido una síntesis en estado sólido, concretamente con aleación mecánica. A continuación, se efectúa la síntesis de la aleación HEA y se optimizan las condiciones para la obtención de una microestructura de solución sólida.
Una segunda etapa de caracterización de las aleaciones ha permitido un estudio en profundidad de las aleaciones. Las técnicas de caracterización de microscopía electrónica de barrido (FESEM-EDS), difracción de rayos X (DRX) y espectroscopia Mössbauer juegan un papel clave en la determinación de la microestructura y la red cristalina de las HEAs. A su vez, permiten evaluar los cambios de la muestra durante varios puntos del procesado, como son la síntesis mecánica y la sinterización a diferentes temperaturas. Otras técnicas como XPS, picnometría de helio o la calorimetría diferencial de barrido (DSC) también han aportado datos fundamentales para la interpretación de los resultados. Igualmente se han estudiado propiedades físico-químicas de las tres aleaciones. Los análisis se han centrado en la variación de la microestructura de las muestras a diferentes temperaturas, su área superficial BET y su porosidad, su comportamiento magnético, su resistencia a la corrosión y su microdureza.
En último lugar, con todos los datos reunidos, se han evaluado en conjunto las tres aleaciones FeAlNiCuCo obtenidas. Se han valorado las diferencias y similitudes entre ellas y se ha considerado cuál presenta las mejores propiedades y estabilidad. De igual manera, se ha determinado que la microestructura para las tres aleaciones es de solución sólida, a pesar de que no presentan una proporción equiatómica como alguna definición de las aleaciones de alta entropía requiere. La ruta de síntesis de aleación mecánica se ha validado como adecuada para esta obtención y se ha planteado las posibles aplicaciones de las aleaciones HEA.
