La innovación podría transformar la fabricación de componentes para aplicaciones aeroespaciales y energéticas, según un estudio publicado en la revista Additive Manufacturing.

Las aleaciones de alta entropía representan uno de los mayores desafíos de la metalurgia moderna. A diferencia de las aleaciones tradicionales que dependen de un metal base dominante con pequeñas cantidades de otros elementos, estas combinan cinco o más elementos metálicos en proporciones relativamente iguales, creando materiales con propiedades que serían imposibles de obtener de un solo elemento, según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos.

El problema fundamental es que estos metales no se mezclan fácilmente. Debido a que diferentes metales tienen densidades, puntos de fusión y comportamientos de solidificación muy distintos, tienden a separarse en regiones irregulares al enfriarse, debilitando el material final.

"Las aleaciones de alta entropía necesitan mezclarse a nivel atómico", explicó Fan Zhang, el físico del instituto que codirigió el proyecto, según la fuente. "Se requiere un esfuerzo adicional para lograr que los metales se mezclen en esas proporciones".

**El láser como herramienta de agitación**

Las técnicas existentes como la fusión por arco o la metalurgia de polvos funcionan bien para muestras de investigación o lingotes simples, pero no pueden crear fácilmente piezas terminadas altamente complejas con canales internos o composiciones locales personalizadas, según el estudio. Para eso, los fabricantes recurren a la impresión 3D de metal mediante fusión láser de lecho de polvo, donde un láser potente escanea una capa delgada de polvo metálico, fundiendo regiones seleccionadas para formar la pieza.

Sin embargo, la impresión 3D de metal estándar no resuelve el problema de mezcla de aleaciones. El láser crea una pequeña piscina fundida que existe solo una fracción de segundo antes de congelarse nuevamente. Para metales individuales y aleaciones simples, eso suele ser suficiente. Pero para las combinaciones obstinadas de metales necesarias para crear aleaciones de alta entropía, no hay suficiente tiempo ni movimiento para que los ingredientes se mezclen adecuadamente, según la investigación.

La solución desarrollada por el investigador Ho Yeung y su equipo fue sorprendentemente directa: agitar la piscina de fusión mientras se imprime para mezclar correctamente los elementos fundidos. La herramienta de agitación es el propio láser.

En lugar de programar el láser para que viaje a lo largo de trayectorias de escaneo normales y rectas, el equipo lo hizo dibujar patrones elípticos en bucle. Esto transformó el láser de una simple fuente de calor en una herramienta de agitación microscópica, forzando activamente a los metales fundidos a mezclarse justo antes de la solidificación.

Notablemente, este método no requiere un rediseño importante del hardware de la impresora, solo un cambio en la trayectoria del láser. Sin embargo, el equipo tuvo que escribir su propio software de trayectoria desde cero, ya que el software comercial de impresoras actualmente no puede generar estos patrones complejos, según la fuente.

**Observando el interior del metal fundido**

Para probar su método, los investigadores eligieron una prueba brutal: combinar una aleación refractaria densa con una aleación de titanio ligera, dos materiales que no se llevan bien en una piscina de fusión. El equipo colocó los materiales uno al lado del otro, luego pasó el láser en bucle a través de su límite para ver si podía mezclarlos en una nueva aleación en lugar de dejarlos como regiones separadas.

Los investigadores necesitaban ver qué estaba sucediendo dentro del metal mientras se fundía y solidificaba, no solo inspeccionarlo después del hecho. Esto es difícil porque el proceso ocurre en menos de un segundo y los metales densos son opacos.

El equipo recurrió a la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne, una instalación de sincrotrón del tamaño de un estadio que produce haces de rayos X extremadamente brillantes. Usando difracción de rayos X, observaron cómo los rayos X se dispersaban a través del metal mientras los átomos se desplazaban durante la fusión y solidificación. Los patrones resultantes les permitieron estudiar la estructura atómica en tiempo real. También utilizaron microscopía electrónica para examinar el material solidificado final, según el estudio.

Los experimentos mostraron que el enfoque de agitación láser funcionó, mejorando la mezcla entre materiales que normalmente serían difíciles de combinar. Más importante aún, demostró que la trayectoria del láser puede usarse como herramienta para controlar cómo se forman las aleaciones durante la fabricación aditiva.

En resumen, los investigadores idearon una técnica utilizando tecnologías existentes que simultáneamente produce materias primas de aleaciones de alta entropía y productos terminados complejos.

**Una "impresora de color" para metal**

Las implicaciones a largo plazo van más allá de imprimir una sola aleación difícil. Hoy en día, la impresión 3D de metal a menudo depende de polvos prealeados. Si un fabricante quiere imprimir 12 aleaciones diferentes, puede necesitar 12 polvos diferentes. El método del instituto apunta hacia un futuro donde las impresoras podrían mezclar polvos metálicos más simples dentro de la máquina, de manera similar a como una impresora de color mezcla unas pocas tintas para crear muchos tonos diferentes, según la fuente.

Esto podría hacer que la impresión 3D de metal sea más barata y flexible. También podría permitir a los ingenieros cambiar gradualmente la composición de la aleación a través de una sola pieza. Una pala de turbina, por ejemplo, podría algún día imprimirse con una mezcla de metal en una región que necesita resistencia al calor y otra donde importa más la tenacidad o el peso, sin soldar piezas separadas.

Sin embargo, existen límites. Este proyecto es actualmente una demostración de investigación, no un proceso industrial listo para usar. Diferentes sistemas de aleaciones se comportarán de manera diferente, y la mezcla es solo una parte del desafío. Los ingenieros todavía tienen que gestionar el agrietamiento, la porosidad, el estrés residual, las tasas de enfriamiento, la calidad del polvo y el tratamiento térmico final. El software comercial también necesitaría ponerse al día antes de que este tipo de control de trayectoria se vuelva rutinario, según la investigación.

La técnica representa un avance significativo en la capacidad de fabricar materiales con propiedades excepcionales que antes eran extremadamente difíciles de producir, especialmente para aplicaciones que requieren resistencia, durabilidad y tolerancia al calor simultáneas, como componentes aeroespaciales y de energía. La posibilidad de crear piezas con composiciones variables dentro de un mismo componente abre nuevas posibilidades de diseño que antes requerían ensamblar múltiples piezas fabricadas con diferentes materiales.