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Nuevas composiciones de aleaciones de alta entropía: diseño, fabricación y caracterización

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2021-11
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2021-11-18
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Las aleaciones de alta entropía (HEA) son un nuevo concepto de sistema de aleación formado por múltiples elementos principales en porcentaje equi-atómico o casi equi-atómico. Las HEAs se podrían considerar materiales estructurales para aplicaciones de alta temperatura, los cuales requieren un diseño de aleación para obtener propiedades mecánicas óptimas. En este sentido, lograr una alta resistencia a la tracción y ductilidad sigue siendo un gran desafío. En comparación con las aleaciones convencionales, las HEAs tienen una alta entropía configuracional, que tiende a estabilizar la formación de la solución sólida, principalmente soluciones sólidas cúbicas centradas en la cara (fcc) y / o cúbicas centradas en el cuerpo (bcc). Generalmente, las HEAs de tipo fcc son dúctiles pero blandos, mientras que las HEAs de tipo bcc son duros, pero frágiles. Esta tesis doctoral se desarrolla en tres direcciones. La primera parte de este trabajo está relacionada con el diseño de aleaciones y tiene como objetivo obtener una mejor comprensión de la solubilidad de los sólidos en las HEAs. Las dificultades que se pueden encontrar en el diseño de HEAs están principalmente relacionadas con la estrategia de diseño de la aleación, tanto química como física. Utilizado una técnica de simulación matemática se pueden identificar patrones dentro de un conjunto de sistemas metálicos que forman una amplia gama de estructuras cristalinas. Esta técnica no solo aceleraría la etapa de diseño de composición, sino que también contribuye al desarrollo de una biblioteca virtual que contenga todos los sistemas explorados. Además, se pueden validar mediante Thermo-calc y trabajo experimental. La segunda parte de esta investigación consiste en el procesamiento mediante técnicas pulvimetalurgias de las composiciones diseñadas. Se emplean las técnicas de aleado mecánico y atomización en gas para la obtención de polvo de aleaciones multicomponentes. Las muestras obtenidas por atomización en gas se someten a diferentes procesos de sinterización como Hot Pressing (HP) y Spark Plasma Sintering (SPS) para estudiar la influencia de los criterios físicos en la formación de la estructura. La caracterización microestructural de las piezas revela una curiosa microestructura lo que dota a estas novedosas aleaciones de excelentes propiedades. La tercera parte, que es el objetivo final de este trabajo, es abordar el equilibrio de las propiedades mecánicas para las HEAs diseñadas, para el desarrollo óptimo de estas nuevas composiciones de HEAs en aplicaciones como matriz metálica alternativa en Cermets. La combinación de la etapa de diseño, producción y caracterización de las nuevas HEAs desarrolladas en esta tesis doctoral, daría como resultado una técnica avanzada adecuada para comprender completamente el potencial de la aleación de alta entropía que sirven como alternativa a las aleaciones convencionales que se utilizan actualmente, así como, el descubrimiento de otros sistemas inexplorados.
High entropy alloys (HEAs) are a new alloy system concept formed by multiple principal elements in an equi-atomic or quasi equi-atomic percentage. The HEAs could be considered structural materials for high temperature applications, which require an alloy design to obtain optimal mechanical properties. Accordingly, to reach a high resistance to traction and ductility is still a great challenge. Compared to the conventional alloys, the HEAs have high configuration entropy that tends to stabilize solid solution formation, mainly face centered cubic solid solution (FCC) and/or body centered cubic (BCC). Usually, the HEAs of FCC type are ductile but soft while those of BCC type are hard but brittle. This doctoral thesis is developed in three different directions. The first part of the work is related to the alloys design and its objective is to obtain a better comprehension of solids solubility in the HEAs. The challenges that may arise on the HEAs design are mostly related to the alloy design strategy, not only the chemical but also the physical one. Within a group of metallic systems, patterns can be identified using a mathematical simulation technique. These patterns form a wide range of crystalline structures. This technique would not only accelerate the stage of design composition, but it would also contribute to the development of a virtual library containing all the explored systems. Furthermore, it can be validated by Thermo-calc and experimental work. The second part of this research consists of the processing through powder metallurgic techniques of the designed compositions. Mechanical alloying and gas atomization techniques are used to obtain powder from multicomponent alloys. The samples obtained by gas atomization are subjected to different sintering processes like Hot Pressing (HP) and Spark Plasma Sintering (SPS) to study the influence that physical criteria have on the formation of the structure. The microstructural characterization of the pieces reveals a curious microstructure, which provides these novel alloys with excellent properties. The third part, which is the final objective of this work, is to approach the equilibrium of the mechanical properties for the designed HEAs. In this way, the new HEAs compositions can be optimally developed for applications like alternative metallic matrix in Cermets. The combination of the design step, production, and characterization of the new developed HEAs in this doctoral thesis would give as result an advanced technique suitable for the complete comprehension of the potential of high entropy alloys. These HEAs can be an alternative to currently used conventional alloys and a starting point to the discover of other unexplored systems.
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Keywords
Aleaciones de alta entropía, Pulvimetalurgia, Propiedades mecánicas, Metales
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