Aleación reforzada por dispersión de óxidos

Las aleaciones reforzadas por dispersión de óxidos ( ODS ) son aleaciones que consisten en una matriz metálica con pequeñas partículas de óxido dispersas en ella. Poseen alta resistencia al calor, resistencia mecánica y ductilidad . Las aleaciones de níquel son las más comunes, pero la categoría también incluye aleaciones de hierro y aluminio . ^{[ 1 ]} Más recientemente, se ha investigado el uso de aleaciones de tungsteno en entornos de fusión y como materiales en contacto con plasma. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Si bien generalmente se utiliza una fase de óxido, algunas aleaciones han empleado la denominación ODS al contener carburos, o una mezcla de óxidos y carburos. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Las aplicaciones incluyen álabes de turbinas de alta temperatura y tubos de intercambiadores de calor , ^{[ 6 ]} mientras que los aceros se utilizan en aplicaciones de fisión nuclear . ^{[ 7 ]} Los materiales ODS se utilizan en naves espaciales para proteger el vehículo, especialmente durante la reentrada . Las aleaciones ODS de metales nobles , como las aleaciones a base de platino, se utilizan en la producción de vidrio.

El tungsteno es una de las principales opciones de componentes en contacto con el plasma para muchos reactores de fusión con confinamiento magnético. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Debido a los altos desplazamientos por átomo, o DPA, que se esperan en entornos de fusión debido al daño por neutrones, fragilización por helio e hidrógeno y pulverización catódica por plasma , los ingenieros han buscado diseñar un material que funcione eficazmente en condiciones extremas durante períodos de tiempo económicamente relevantes. Las aleaciones ODS ofrecen una solución a este problema; sin embargo, la resistencia de sumidero requerida para aplicaciones de fusión puede ser hasta un orden de magnitud mayor que en los nuevos reactores de Generación IV , ^{[ 10 ]} lo que requiere resistencias de sumidero en el rango de 10 ¹⁶ /m ² .

La resistencia a la hundimiento de un material, denotada por k ² , viene dada por: ^{[ 11 ]}

${\displaystyle k^{2}=4\pi R\rho Y}$

dónde:

• R – el radio del sumidero , que normalmente representa el tamaño de las dislocaciones, los huecos o los precipitados que actúan como sumideros para los defectos puntuales.
• ρ – la densidad numérica de sumideros , que es el número de sumideros por unidad de volumen del material.
• Y – un factor geométrico que tiene en cuenta la forma o distribución específica de los sumideros en el material.

En aplicaciones de fusión, los óxidos ofrecen una ventaja sobre otros dispersoides, ya que pueden ser más estables químicamente gracias a una protección inherente contra la oxidación posterior y a su resistencia al crecimiento de grano. ^{[ 12 ] [ 2 ] [ 13 ]}

El endurecimiento por dispersión de óxidos se basa en la incoherencia de las partículas de óxido dentro de la red del material. Las partículas coherentes tienen un plano reticular continuo desde la matriz hasta las partículas, mientras que las partículas incoherentes no tienen esta continuidad y, por lo tanto, ambos planos reticulares terminan en la interfaz. Este desajuste en las interfaces da como resultado una alta energía interfacial , que impide la dislocación. ^{[ 14 ]} Las partículas de óxido, en cambio, son estables en la matriz, lo que ayuda a prevenir la fluencia. La estabilidad de las partículas implica pocos cambios dimensionales, fragilización, efectos en las propiedades, espaciado estable entre partículas y resistencia general al cambio a altas temperaturas. ^{[ 15 ]}

Dado que las partículas de óxido son incoherentes, las dislocaciones solo pueden superarlas mediante ascenso . Si, en cambio, las partículas son semicoherentes o coherentes con la red, las dislocaciones pueden simplemente cortar las partículas mediante un proceso más favorable que requiere menos energía llamado deslizamiento de dislocación o por curvatura de Orowan entre partículas, ambos mecanismos atérmicos. El ascenso de dislocación es un proceso de difusión, que es menos favorable energéticamente y ocurre principalmente a temperaturas más altas que proporcionan suficiente energía para avanzar mediante la adición y eliminación de átomos. ^{[ 16 ]} Debido a que las partículas son incoherentes, los mecanismos de deslizamiento por sí solos no son suficientes y el proceso de ascenso, más agotador energéticamente, es dominante, lo que significa que las dislocaciones se detienen de manera más efectiva. El ascenso puede ocurrir en la interfaz partícula-dislocación (ascenso local) o superando múltiples partículas a la vez (ascenso general). En el ascenso local, la parte de la dislocación que está entre dos partículas permanece en el plano de deslizamiento mientras que el resto de la dislocación asciende a lo largo de la superficie de la partícula. Para el ascenso general, todas las dislocaciones salen del plano de deslizamiento. El ascenso general requiere menos energía porque el mecanismo disminuye la longitud de la línea de dislocación, lo que reduce la energía de deformación elástica y, por lo tanto, es el mecanismo de ascenso común. ^{[ 17 ]} Para fracciones de volumen γ' de 0,4 a 0,6 en aleaciones a base de níquel, la tensión umbral para el ascenso local es solo entre 1,25 y 1,40 veces mayor que la del ascenso general. ^{[ 15 ]}

Las dislocaciones no se limitan a un ascenso completamente local o completamente general, ya que se toma el camino que requiere menos energía. El ascenso cooperativo es un ejemplo de un mecanismo más complejo en el que una dislocación se desplaza alrededor de un grupo de partículas en lugar de ascender por cada partícula individualmente. McLean afirmó que la dislocación se relaja más al ascender por múltiples partículas debido a que se omiten algunas de las interfaces abruptas entre los segmentos en el plano de deslizamiento y los segmentos que se desplazan a lo largo de la superficie de la partícula. ^{[ 18 ]}

La presencia de partículas incoherentes introduce una tensión umbral (σ _t ), ya que se deberá aplicar una tensión adicional para que las dislocaciones se muevan más allá de los óxidos por ascenso. Después de superar una partícula por ascenso, las dislocaciones pueden permanecer ancladas en la interfaz partícula-matriz con un fenómeno atractivo llamado anclaje interfacial, ^{[ 19 ] [ 20 ]} que requiere una tensión umbral adicional para liberar una dislocación de este anclaje, la cual debe superarse para que ocurra la deformación plástica. ^{[ 21 ]} Este fenómeno de desprendimiento es resultado de la interacción entre la partícula y la dislocación donde se reduce la energía de deformación elástica total. ^{[ 17 ]} Schroder y Arzt explican que la tensión adicional requerida se debe a la relajación causada por la reducción en el campo de tensión a medida que la dislocación asciende y acomoda la tracción de corte. ^{[ 22 ]} Las siguientes ecuaciones representan la tasa de deformación y la tensión como resultado de la introducción de óxido.

Tasa de deformación :

${\displaystyle {\overset {.}{\epsilon }}=A'({\frac {\sigma -\sigma _{t}}{\mu }})^{n}}$

Esfuerzo cortante umbral :

${\displaystyle \tau _{th}={\frac {\alpha }{2}}{\frac {Gb}{l}}}$

La NASA empleó la mezcla acústica resonante y la fabricación aditiva para sintetizar una aleación denominada GRX-810, que soportó temperaturas superiores a 1090 °C (1990 °F) . Esta aleación también presentó mayor resistencia, maleabilidad y durabilidad. La impresora dispersó partículas de óxido de manera uniforme en toda la matriz metálica. La aleación se identificó mediante 30 simulaciones de modelado termodinámico. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}  

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