Revolucionaria imagen 3D revela grietas ocultas en aleaciones basadas en níquel

• Por primera vez, investigadores desarrollan una técnica para capturar imágenes 3D de grietas microscópicas en aleaciones de níquel causadas por hidrógeno o exposición al agua.
• Ayudará a ingenieros a desarrollar microestructuras con vida útil extendida, ahorrando costes en reparaciones y sustituciones.

Las microfracturas en aleaciones metálicas no son visibles a simple vista, pero pueden extenderse a otras regiones cuando se exponen a hidrógeno o agua, provocando problemas graves en plantas nucleares, tecnologías electroquímicas, almacenamiento de hidrógeno y estructuras como puentes y edificios altos.

Normalmente, la fragilización por hidrógeno (FH) de las aleaciones se denota por fracturas inesperadas y pérdida de ductilidad que causan un espectro cada vez mayor de fallos de material. Dado que la intensidad de la FH aumenta con la resistencia del metal, las aleaciones avanzadas (como la aleación base de níquel) son más susceptibles a la FH. Para predecir y prevenir la FH, se necesita un conocimiento detallado de sus orígenes físicos.

Recientemente, investigadores del MIT y el LLNL (Laboratorio Nacional Lawrence Livermore) desarrollaron una técnica para capturar imágenes tridimensionales de grietas microscópicas en aleaciones causadas por fragilización por hidrógeno. Estas imágenes pueden usarse para detectar diferentes fronteras de grano u orientaciones de estructuras microscópicas que pueden desviar fracturas y prevenir daños asistidos por hidrógeno o agua.

¿Cómo lo hicieron?

La nueva técnica —mapeo 3D de microestructura— se basa en métodos de difracción de rayos X y tomografía basados en sincrotrón para analizar grietas en aleaciones de níquel causadas por hidrógeno/agua.

Si quiere analizar con precisión cómo se propagan las grietas en el metal, necesita simular el problema en tres dimensiones. También necesita suficientes datos sobre la morfología de la grieta y su relación con la microestructura.

Para realizar una evaluación no destructiva, los autores dirigieron haces de rayos X de alta intensidad sobre aleaciones de níquel agrietadas. Colocaron una cámara para capturar todos los haces transmitidos y difractados. Luego probaron cientos de miles de orientaciones de estructura microscópica y examinaron millones de puntos.

Referencia: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Crédito de imagen: Dharmesh Patel / Universidad Texas A&M

Al alinear los datos con modelos físicos, transformaron los puntos de difracción en una imagen tridimensional de la microestructura. Esta imagen 3D muestra qué tipos de fronteras de grano podrían desviar grietas, y los resultados sugieren que los BLIPS (fronteras con planos de índice bajo) son resistentes al daño.

¿En qué es útil?

La tecnología puede impulsar avances en técnicas de procesamiento de metales destinadas a detener la propagación de grietas en aleaciones de níquel. Esto fortalecería los materiales y aumentaría su vida útil para componentes y estructuras.

Más concretamente, podría mejorar las predicciones de respuestas mecánicas de aleaciones FH. Las fronteras de grano perjudiciales pueden eliminarse durante el diseño de aleaciones para añadir obstáculos a las fracturas y detener su crecimiento.

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Además, los datos obtenidos de las imágenes 3D ayudarán a los ingenieros a desarrollar microestructuras efectivas con vida útil extendida, ahorrando costes en reparaciones/sustituciones. Para aumentar la vida útil, la microestructura debe procesarse con grandes cantidades de BLIPS, que desviarían o embotarían las grietas de manera más eficaz.