Caracterización Microestructural y Mecánica de Nuevas Aleaciones de Alta Entropía (HEAs)

Abstract

En el presente trabajo se han diseñado, fabricado y caracterizado siete aleaciones de alta entropía (HEAs) pertenecientes a dos sistemas inexplorados hasta la fecha: ScTiVCrMn y ScFeVCrMn. Para el diseño de dichas aleaciones se han seguido los criterios más utilizados en la literatura, la entalpía de mezcla y diferencia de tamaño atómico para generar soluciones sólidas, y la concentración de electrones de valencia para predecir la estructura cristalina. La caracterización microestructural de las aleaciones tras ser fabricadas por fusión en horno de arco eléctrico ha sido efectuada mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X con radiación sincrotrón y análisis térmico diferencial. El estudio revela que todas las aleaciones presentan una microestructura de tipo dendrítico. La fase dendrítica contiene todos los elementos de la aleación en solución sólida con estructura BCC, excepto el escandio, siendo el vanadio y el cromo los elementos mayoritarios. Por su parte, la fase interdendrítica varía en cada sistema. Si la concentración de escandio es elevada, se forma una fase escandio que contiene en solución sólida pequeñas cantidades de titanio. Sin embargo, si el contenido de escandio es bajo, se forman las fases intermetálicas Mn2Sc y Fe2Sc en los sistemas ScTiVCrMn y ScFeVCrMn respectivamente, en las cuales los átomos de hierro y manganeso están sustituidos por el resto de elementos (excepto escandio) y, el escandio, únicamente por titanio. A su vez, aquellas aleaciones con fase intermetálica poseen una tercera fase minoritaria constituida por escandio puro de estructura HCP. La caracterización mecánica de las aleaciones se ha realizado mediante ensayos de nanodureza, microdureza y compresión. La nanodureza se ha empleado para caracterizar las propiedades mecánicas de cada una de las fases, confirmando la naturaleza intermetálica de la fase interdendrítica. Por su parte, la realización de medidas de microdureza y de límite elástico revela, en los casos más favorables, valores máximos próximos a 600 HV y 1400 MPa, con una resistencia máxima de 1900 MPa tras un 4 \% de deformación plástica. Estos valores sitúan, especialmente a dos aleaciones del sistema ScTiVCrMn, como candidatas a sustituir a las aleaciones de alta entropía más comunes de la bibliografía. Por último, se ha estudiado la resistencia a la oxidación de estas aleaciones mediante termogravimetrías continuas a 800 $^o$C durante 100 horas en aire seco. La observación y análisis mediante MEB-EDX de las superficies oxidadas y de las secciones transversales demuestra que el comportamiento frente a la oxidación de cada aleación está controlado por la capa exterior generada durante el proceso, al ser aquella la que fija el flujo de oxígeno que penetra hacia la aleación. La composición de esta capa viene determinada por la composición de la aleación, formándose una capa relativamente protectora de Mn2O3 cuando la concentración de manganeso es elevada; mientras que si se reduce su contenido, se genera una capa de naturaleza menos protectora con estequiometría V1.5Mn1.5O4.