Una novedosa superaleación de alta entropía basada en cobalto (Co) y níquel (Ni) (CoNi-HESA), capaz de soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas, podría representar un paso hacia motores de aeronaves más potentes y eficientes en el consumo de combustible.

El desarrollo y la fabricación de la nueva CoNi-HESA se describen en un artículo publicado recientemente en Materials & Design: Laser powder bed fusion of a novel CoNi-based high entropy superalloy.

Los investigadores implicados lograron optimizar el diseño del material para su fabricación aditiva mediante técnicas de Laser por Lecho de Polvo (LPBF, por sus siglas en inglés). Esto permite fabricar componentes con menos defectos y una microestructura más homogénea, entre otras ventajas.

“El sector aeroespacial ha reconocido desde hace tiempo la importancia crítica de aumentar la temperatura máxima de funcionamiento de los motores de aeronaves para mejorar su eficiencia”, explica el Prof. José Manuel Torralba, uno de los autores de la publicación e Investigador Principal en IMDEA Materiales.

“Por ello, se han dedicado importantes esfuerzos al desarrollo de materiales metálicos e intermetálicos avanzados con capacidades de rendimiento excepcionales.”

El funcionamiento de los motores a temperaturas más altas incrementa la eficiencia térmica y el empuje, lo que se traduce en un mejor rendimiento y una mayor economía de combustible.

Sin embargo, esto requiere materiales capaces de resistir un calor y un estrés extremos sin degradarse. Las superaleaciones basadas en Ni han sido durante décadas el referente en la fabricación de motores a reacción, gracias a sus notables propiedades a altas temperaturas.

Por su parte, las superaleaciones basadas en Co ofrecen una excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación.

No obstante, la capacidad de los ingenieros para aprovechar plenamente estas propiedades en el diseño y construcción de motores a reacción se ha visto limitada por su menor resistencia a altas temperaturas en comparación con las de base Ni.

Combinando las propiedades sobresalientes de ambas familias de superaleaciones, los investigadores lograron crear la nueva CoNi-HESA, que demuestra una ductilidad superior y una gran resistencia a altas temperaturas.

Este trabajo pionero fue el resultado del proyecto europeo Marie Sklodowska Curie Actions, CNSTech, liderado por el antiguo investigador de IMDEA Materiales, el Dr. Ahad Mohammadzadeh.

Entre los coautores se encuentran Alessandro De Nardi (ex-IMDEA Materiales), galardonado con el premio a la mejor tesis de máster en la conferencia Euro PM 2024 por su investigación relacionada, el Prof. Torralba y el Dr. Amir Mostafaei del Instituto de Tecnología de Illinois.

“Con una cuidadosa combinación de potencia láser y velocidad de escaneado en el proceso LPBF, la CoNi-HESA desarrollada resulta ideal para la producción de componentes de alta densidad y resistentes a la fisuración”, señala el Prof. Torralba.

Además de la posibilidad de controlar la potencia del láser y la velocidad de escaneado para reducir el gradiente térmico y la velocidad de enfriamiento de la pieza impresa, la técnica LPBF empleada también permitió precalentar el lecho de polvo y/o reducir el espesor de las capas.

Esto también demostró mejorar las propiedades térmicas y mecánicas de las piezas fabricadas aditivamente.

“Podemos afirmar que la hipótesis, que el diseño de superaleaciones basadas en CoNi mediante predicciones termodinámicas fundamentadas en la entropía de mezcla puede mejorar las propiedades de estos materiales, ha sido confirmada”, concluye el Prof. Torralba.

“Esto resulta muy prometedor para futuras aplicaciones de la fabricación aditiva en campos como la energía, el espacio y la tecnología nuclear.”