aleación de alta entropía

Una aleación de alta entropía (HEA) es una composición metálica en la que cinco o más elementos constituyen cada uno entre el 5 y el 35 por ciento del total, sin que ningún elemento domine. A diferencia de las aleaciones convencionales, que se construyen alrededor de una matriz primaria (hierro en el acero, aluminio en las aleaciones de aluminio), las HEA distribuyen átomos de tamaño y concentración comparables por toda una única fase cristalina. Esta diferencia fundamental en la estructura produce materiales con combinaciones inusuales de dureza, tenacidad y resistencia al calor que las aleaciones convencionales difícilmente pueden igualar.

El término "alta entropía" se refiere al desorden termodinámico inherente a la microestructura. Cuando múltiples elementos ocupan posiciones reticulares con una probabilidad aproximadamente igual, la entropía configuracional de la solución sólida es muy alta, lo que estabiliza la estructura monofásica incluso en proporciones de composición que normalmente causarían segregación o precipitación. Esta estabilidad impulsada por la entropía es lo que permite a las HEA mantener propiedades uniformes en rangos de temperatura más amplios que las aleaciones tradicionales.

Sistemas y propiedades comunes

El CoCrFeMnNi equiatómico, una de las primeras HEA descubiertas, exhibe una estructura cúbica centrada en las caras y permanece tenaz a temperaturas criogénicas donde la mayoría de los aceros se vuelven quebradizos. Las HEA refractarias basadas en tungsteno, molibdeno, tantalio y niobio soportan calor extremo; algunas mantienen una resistencia a la fluencia superior a 1000 MPa a 1200 grados Celsius. Los sistemas más ligeros como el AlCoCrFeNi ofrecen ahorros de densidad para aplicaciones aeroespaciales, aunque las HEA que contienen aluminio pueden sufrir separación de fases y fragilidad si la refrigeración no se controla.

El desafío con las HEA radica en el procesamiento y el costo. La fusión de múltiples elementos para obtener una composición homogénea exige un control cuidadoso de la oxidación y los gradientes térmicos. La fundición a menudo introduce segregación a menos que se siga de un recocido de homogeneización. El costo de la materia prima es más alto que el de las aleaciones de hierro o aluminio porque el tantalio, el cobalto y el níquel tienen precios elevados. El mecanizado y la conformación también presentan dificultades: la alta dureza que hace que las HEA sean atractivas en servicio las hace difíciles de trabajar.

Las HEA siguen siendo principalmente un dominio de investigación y aplicaciones avanzadas. Los contratistas de defensa y los proveedores aeroespaciales las prueban para álabes de turbinas y blindajes. Las plantas químicas las exploran para servicios corrosivos. La producción en volumen es limitada; compiten con superaleaciones y aceros inoxidables establecidos que tienen décadas de datos de fiabilidad y cadenas de suministro establecidas. El campo es todavía lo suficientemente joven como para que el diseño de la composición se base en parte en el descubrimiento empírico en lugar de modelos predictivos, por lo que cada nuevo sistema requiere pruebas antes de su implementación.