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Aleaciones nanocristalinas y estabilidad del tamaño de nanograno
 

Aleaciones nanocristalinas y estabilidad del tamaño de nanograno

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Las aleaciones nanocristalinas tienen una gran demanda en industrias como semiconductores, biosensores y aeroespaciales debido a sus propiedades físicas y mecánicas mejoradas. Las aleaciones con un tamaño de grano inferior a 100 nanómetros se conocen como aleaciones nanocristalinas.

Para producir piezas industriales con estas aleaciones, los polvos nanocristalinos se procesan utilizando temperatura y presión elevadas combinadas para desarrollar materiales a granel de cerca de 100 por ciento densos. Sin embargo, los nanogranos comienzan a crecer a altas temperaturas haciendo que el material se pierda sus propiedades mejoradas. Para combatir este problema, la unión entre partículas de alta densidad con una porosidad mínima debe obtenerse a alta temperatura y minimizar la pérdida de tamaño de grano a nanoescala.

Este vídeo revela un nuevo enfoque para mejorar la estabilidad del tamaño de nanograno de la aleación Fe14Cr4Hf a temperaturas elevadas.

Los nanomateriales tienden a ser inestables, lo que hace que el tamaño del grano aumente a temperaturas elevadas. Esto hace que el material pierda sus propiedades mecánicas superiores. La inestabilidad de los nanomateriales es el resultado de dos factores que hacen que el material vaya mucho más allá de una condición de equilibrio. Tanto el tamaño del grano como el procesamiento mecánico conducen a estas propiedades termodinámicas alteradas. Los granos más pequeños en nano materiales tienen más límite de grano por volumen que los granos más grandes y por lo tanto una mayor energía libre de gibbs.

Las técnicas de aleación mecánica utilizadas para producir estos materiales también aumentan la energía disponible para impulsar el crecimiento del grano. La inestabilidad termodinámica causada por estos factores impulsa el movimiento de los límites del grano, especialmente a temperaturas elevadas, haciendo crecer los granos. Para ser útiles se deben desarrollar nano materiales que sean estables a alta temperatura. Una forma de estabilizar el tamaño del grano es introducir elementos de aleación y eliminar el oxígeno de la solución sólida. Cuando el oxígeno está presente, los elementos de aleación forman óxidos dentro de los granos impidiendo que todos los elementos de aleación lleguen a los límites del grano. Al eliminar el oxígeno, los elementos son libres de segregar a los límites del grano estabilizando el tamaño de los nanogranos.

Los estudios han demostrado que si un soluto estabilizador de no equilibrio como el hafnio se introduce en una aleación de diez cromos de hierro nanocristalino se segrega a los límites del grano a temperaturas elevadas. Esto disminuye la energía libre de gibbs de los límites del grano resultando en un estado de equilibrio metastable y por lo tanto materiales nanocristalinos más estables. Se ha encontrado que la eliminación de oxígeno mejora aún más esta estabilización.

Para comparar la estabilidad del tamaño del nanograno a diferentes temperaturas, las muestras se tratan térmicamente en un rango de temperaturas. El tamaño del grano se analiza utilizando imágenes de microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos X. La ecuación Scherrer se utiliza para calcular el tamaño del grano en función de los resultados de la difracción de rayos X. Usando esta ecuación el tamaño de los nanogranos está relacionado con la ampliación de un pico en el patrón de difracción.

Ahora que entiende los principios detrás de la estabilización de materiales nanocristalinos, veamos cómo se aplica este método en el laboratorio.

Utilice materiales a granel de bajo contenido de oxígeno de alta pureza hierro, cromo y hafnio encerrados en una guantera para minimizar la contaminación por oxígeno. Cargue las bolas de fresado de acero inoxidable de 6,4 y 7,9 mm 440c y el polvo en un vial de acero inoxidable que cree una relación bola-polvo de diez a uno. El vial sellado debe mantenerse bajo atmósfera protectora en la guantera.

Transfiera el vial a la fresadora de bolas de alta energía. Llevar a cabo el fresado de bolas durante 20 horas. Vuelva a colocar el vial en la guantera y transfiera el polvo molido a un pequeño vial de vidrio. Selle el vial de vidrio para recocido. Anneal la pelota fresada Fe14Cr4Hf durante 60 minutos a temperaturas entre 500 y 1200 grados centígrados en pasos de 100 grados centígrados. Ejecute el análisis XRD de múltiples muestras de cada temperatura de recocido, así como muestras del material fresado. Emplear un tinte de cinco milímetros y punzonar con prensa hidráulica para presionar el polvo para el análisis microscópico.

Ahora que aprecia la importancia de que los nanocristales mantengan su tamaño de grano a alta temperatura, echemos un vistazo a algunas aplicaciones donde se pueden utilizar. La vida útil de los aviones se puede aumentar utilizando materiales nanocristalinos. La mejora de la vida útil de la fatiga, la resistencia y las temperaturas de funcionamiento más altas conducen a un aumento significativo en la velocidad de la aeronave y la eficiencia del combustible.

Estos materiales también son candidatos perfectos para los componentes de naves espaciales que deben funcionar a temperaturas más altas. Por ejemplo, los ignitors a bordo de los satélites desarrollados a partir de materiales convencionales pueden desgastarse rápidamente sin posibilidad de reparación. Mientras que los nanomateriales durarán más tiempo prolongando la vida de la misión.

Acabas de ver la introducción de Jove a la estabilidad nano cristalina. Ahora debe comprender la necesidad de mantener el tamaño del grano a temperatura elevada, las formas en que se logra y cómo se mide el tamaño del grano.

Gracias por mirar.

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