Presentan nueva aleación metálica 10 veces más resistente que el acero estructural

20 de julio de 2026.- Un nanolaminado de cobalto y aluminio ha roto con la habitual disyuntiva entre resistencia y flexibilidad, resultando hasta 10 veces más resistente que el acero estructural sin volverse peligrosamente quebradizo.

Los motores a reacción requieren materiales que puedan soportar temperaturas y fuerzas extremas sin doblarse, agrietarse ni deformarse gradualmente. Sin embargo, los materiales más resistentes suelen presentar una gran desventaja: son demasiado frágiles para deformarse de forma segura.

Ingenieros de la Universidad de Purdue han encontrado una manera de superar esa limitación en el cobalto-aluminio (CoAl), un compuesto intermetálico con aplicaciones potenciales en turbinas de alto rendimiento. Al rediseñar el material a nanoescala , los investigadores crearon una forma de CoAl excepcionalmente resistente que, sin embargo, puede sufrir una deformación considerable a temperatura ambiente.

Este avance, publicado en Science Advances , podría apuntar hacia una estrategia más amplia para hacer que los compuestos intermetálicos, notoriamente frágiles, sean más prácticos para las tecnologías aeroespaciales, energéticas y de defensa.

¿Por qué se fracturan los compuestos intermetálicos?

Los compuestos intermetálicos contienen dos o más elementos metálicos dispuestos en una estructura cristalina altamente ordenada. Este orden atómico les confiere una resistencia excepcional, altos puntos de fusión y resistencia a la fluencia, la deformación lenta que se produce cuando un material permanece sometido a tensión durante largos periodos.

Estas cualidades son valiosas en motores a reacción, turbinas de gas, sistemas de almacenamiento de energía y componentes automotrices. Sin embargo, las mismas estructuras ordenadas que confieren resistencia a los compuestos intermetálicos también pueden impedir que se deformen fácilmente. En lugar de doblarse bajo presión, muchos se fracturan, especialmente a temperatura ambiente.

Ke Xu

El investigador postdoctoral de la Universidad de Purdue, Ke Xu, realiza pruebas nanomecánicas in situ en un microscopio electrónico de barrido en el Centro de Microscopía Electrónica de Purdue. En estas pruebas, los investigadores de Purdue observaron cómo lograron alta resistencia y plasticidad en materiales típicamente frágiles llamados intermetálicos de cobalto y aluminio. Crédito: Universidad de Purdue

El compuesto CoAl ilustra este problema. Si bien es lo suficientemente resistente como para ser considerado para componentes exigentes de turbinas, su fragilidad dificulta su fabricación en formas complejas y limita su capacidad para soportar esfuerzos mecánicos repentinos.

“Los compuestos intermetálicos de CoAl a granel son compuestos de alta resistencia”, afirmó el autor principal, Xinghang Zhang, profesor de la Escuela de Ingeniería de Materiales de Purdue. “Entre otras aplicaciones, podrían utilizarse en los materiales de próxima generación para las palas de turbinas de motores aeronáuticos, que son turbinas de gas que generan el empuje para la propulsión de las aeronaves. Las aleaciones de CoAl de alta resistencia y deformables plásticamente podrían permitir que un motor o turbocompresor gire más rápido manteniendo una mayor fuerza centrífuga, mejorando así su rendimiento”.

Ingeniería de defectos cristalinos beneficiosos

Los investigadores abordaron el problema introduciendo deliberadamente imperfecciones en el material.

En un cristal, los átomos normalmente siguen un patrón geométrico repetitivo. Una dislocación es una alteración microscópica de ese patrón. Si bien los defectos suelen asociarse con debilidad, las dislocaciones pueden proporcionar a los metales una forma de cambiar de forma al permitir que las capas de átomos se muevan en lugar de romperse.

El CoAl generalmente carece de suficientes dislocaciones móviles para deformarse sustancialmente a temperatura ambiente. Los intentos previos por mejorar su plasticidad modificando su composición o combinándola con otros materiales tuvieron un éxito limitado.

Alta resistencia y plasticidad en compuestos intermetálicos de cobalto y aluminio.

Las pruebas de compresión de micropilares realizadas en nanocompuestos intermetálicos de cobalto y aluminio, fabricados por investigadores de la Universidad de Purdue, revelaron que el equipo logró que estos nanocompuestos alcanzaran una alta resistencia a la fluencia superior a 6 GPa, un endurecimiento por deformación sostenido de aproximadamente 8,5 GPa y una deformación plástica por compresión superior al 15 %. Crédito: Universidad de Purdue

Las interfaces flexibles desbloquean la plasticidad.

En cambio, el equipo de Purdue introdujo dislocaciones directamente en el CoAl durante su formación. También crearon una red de interfaces amorfas, límites delgados donde los átomos carecen de la disposición ordenada que se encuentra en un cristal.

“En este estudio, demostramos que el CoAl puede exhibir una plasticidad significativa a temperatura ambiente, lo que ofrece un nuevo enfoque alternativo para mejorar la capacidad de deformación plástica en el CoAl”, dijo Ke Xu, investigador postdoctoral de Purdue y primer autor del estudio.

Estos límites internos flexibles actúan como algo más que separadores pasivos. Durante la deformación, partes de las interfaces cristalizan y ayudan a generar dislocaciones adicionales, lo que proporciona a las capas de CoAl circundantes más formas de absorber la fuerza.

“Introdujimos directamente dislocaciones en CoAl durante la deposición por pulverización catódica”, explicó Zhang. “Más importante aún, diseñamos la estructura de interfaces amorfas (FAI), límites flexibles en los materiales que proporcionan flexibilidad estructural, los cuales cristalizan parcialmente durante la deformación y promueven la nucleación de las dislocaciones en los compuestos intermetálicos de CoAl”.

Más resistente que el acero estructural

El nanolaminado resultante alcanzó un límite elástico de 6 GPa (gigapascal, una unidad de medida de la tensión), aproximadamente entre seis y diez veces superior al del acero estructural de alta resistencia. El límite elástico mide la cantidad de tensión que un material puede soportar antes de deformarse permanentemente.

A pesar de su extrema resistencia, el material soportó una deformación plástica del 15 % bajo compresión a temperatura ambiente. En otras palabras, podía sufrir una deformación permanente significativa sin fracturarse inmediatamente.

“Esta combinación de resistencia mecánica ultraelevada y plasticidad excepcional convierte al sistema nanolaminado de CoAl actual en uno de los mejores sistemas intermetálicos reportados hasta la fecha”, dijo Xu.

Fabricación de la aleación a partir de vapor.

El equipo produjo el material mediante deposición por pulverización catódica con magnetrón. Durante este proceso, los átomos se liberan de un material fuente y se depositan como una película delgada sobre otra superficie. A diferencia de la fundición convencional, que solidifica el metal fundido, la pulverización catódica permite que el material se forme directamente a partir del vapor de la aleación .

Esa ruta poco convencional ayudó a atrapar un gran número de dislocaciones dentro del CoAl, al tiempo que creaba las interfaces amorfas de aluminio-cobalto.

“Este método de fabricación fuera del equilibrio nos permite fabricar materiales a partir de vapor de aleación hasta obtener un sólido, introduciendo una cantidad significativa de dislocaciones en el CoAl”, explicó Zhang. “Logramos una resistencia y plasticidad considerables en el CoAl, algo que no se puede conseguir mediante la fundición tradicional”.

Observando la deformación a escala atómica

Los investigadores comprimieron el material mientras lo observaban dentro de un microscopio electrónico de barrido. Esta prueba in situ les permitió rastrear cómo cambiaba la estructura microscópica a medida que el CoAl se deformaba.

La profesora Yashashree Kulkarni de la Universidad de Houston y el estudiante de doctorado Anand Mathew también realizaron simulaciones de dinámica molecular para examinar el proceso a nivel atómico. Sus modelos mostraron que partes de las interfaces amorfas cristalizaban bajo presión y liberaban dislocaciones en las capas vecinas de CoAl.

En conjunto, los experimentos y las simulaciones sugieren que las interfaces funcionan como fuentes activas de deformación plástica. En lugar de debilitar el material, lo ayudan a responder a la tensión sin sacrificar su excepcional resistencia.

De nanocapas a componentes de turbinas

El material actual es un sistema laminar a nanoescala producido mediante deposición de película delgada, y aún no constituye un componente de turbina a granel. El próximo reto de los investigadores es transferir el mismo concepto estructural a nanocompuestos de CoAl de mayor tamaño que puedan fabricarse a escala industrial.

“También pondremos a prueba el concepto utilizando otros compuestos intermetálicos, con el objetivo de establecer la aplicabilidad general de los FAI para mejorar la plasticidad en esta clase de metales”, dijo Xu.

Si este enfoque funciona con otros compuestos, podría ofrecer a los ingenieros una nueva forma de diseñar materiales para entornos donde los metales convencionales presentan dificultades. En lugar de elegir entre resistencia y deformabilidad, los investigadores podrían lograr ambas propiedades controlando la formación de defectos y la respuesta de los límites internos a la fuerza.

“Los compuestos intermetálicos dúctiles impulsarán significativamente nuestra capacidad para diseñar materiales avanzados para aplicaciones aeroespaciales y espaciales, energéticas y de defensa”, dijo Zhang.

Reportacero