Las aleaciones de alta entropía son un tipo de aleaciones metálicas que están constituidas por al menos cinco elementos distintos en proporciones similares. Puede que esta definición no resulte muy llamativa, pero son unos compuestos muy recientes, descritos por primera vez en 2004 y que habían pasado desapercibidos durante cientos de años de metalurgia. La denominación de “alta entropía” proviene de que en una mezcla la entropía crece a medida que aumenta el número de componentes y se hace máxima cuando la proporción de estos es la misma. Es por tanto que estas aleaciones difieren sustancialmente de prácticamente todas las aleaciones convencionales que hemos visto hasta aquí.
La aproximación clásica a las aleaciones consiste en tener un elemento mayoritario y un segundo minoritario, como hemos visto en el caso de los aceros. Aunque muchas aleaciones comerciales pueden tener varios componentes, a menudo, salvo el mayoritario y el minoritario, aquellos suelen estar en proporciones muy bajas y prácticamente se consideran impurezas. Es cierto que en algunos casos puede haber, en vez de un componente minoritario, dos o incluso tres, como acabamos de ver en las aleaciones de tipo Heusler, pero prácticamente no existen aleaciones comerciales de cinco o más elementos en proporciones parecidas. Por esto las aleaciones de alta entropía se consideran un nuevo tipo de material, con un potencial muy prometedor ya que no siguen la tendencia general que se ha seguido hasta ahora en la creación de aleaciones.
Este tipo de aleaciones multicomponentes fueron ideadas en la década de 1980, pero tuvieron que pasar algunos años para que la idea se llevara a término en un laboratorio. Fueron el profesor Jien-Wei Yeh y su equipo, en Taiwán, los primeros que lo hicieron en 2004 cuando publicaron un trabajo[1] en el que presentaban las propiedades de la aleación CuCoNiCrAlxFe, con hasta seis elementos principales. Es cierto que por esa misma época hubo otro grupo en Inglaterra que también publicó otro trabajo donde informaban sobre una aleación similar. En concreto, se trataba de FeCrMnNiCo, con cinco elementos principales de aleación[2] y que posteriormente se acabó llamando aleación de Cantor. Sin embargo, el grupo inglés prefirió denominar a su aleación como “multicomponente equimolar” mientras que el grupo de Taiwán acuñó el término de aleación de alta entropía, tal como se conoce actualmente.
Como ya hemos indicado, la aproximación a las aleaciones de alta entropía resulta muy novedosa con respecto al enfoque de la metalurgia tradicional. El punto más atractivo de estas nuevas aleaciones es que las posibles combinaciones son virtualmente infinitas en términos de composición y, además, se está observando que no cumplen las reglas clásicas que definen la estabilidad de las disoluciones sólidas. En la figura 3.20 se muestran esquemas de cómo sería la estructura cristalina de una aleación de alta entropía en comparación con las aleaciones tradicionales de las que ya hemos presentado algunos ejemplos.
En las aleaciones tradicionales, los elementos minoritarios se incorporan a la red cristalina del mayoritario en forma de defectos, ya sean sustitucionales o intersticiales. Existen unas reglas, enunciadas por el científico inglés W. Hume-Rothery, que predicen si estas incorporaciones van a ser estables en forma de disolución sólida o no en base a términos geométricos y de la naturaleza química de ambos elementos. Son unos criterios sencillos de carácter predictivo que normalmente representan una condición necesaria pero no suficiente para la formación de disoluciones sólidas. Aunque se encuentran algunas excepciones, se ajustan bastante bien a las tendencias generales observadas experimentalmente. Sin embargo, se ha comprobado que estas reglas basadas en argumentos simples dejan de ser válidas en las aleaciones de alta entropía, que tienen su propio comportamiento[4].
En el extremo derecho de la figura 3.20 se muestran esquemáticamente ejemplos simplificados de la estructura cristalina de aleaciones de alta entropía con un alto número de elementos en proporciones similares, lo que hace imposible distinguir entre solvente y soluto. La estructura cristalina se basa en alguna convencional como la cúbica centrada en las caras o la cúbica centrada en el interior, pero está formada por átomos de distintas clases que dan lugar a redes con muchas distorsiones y al límite de la periodicidad, ya que la distribución de átomos de diferentes elementos puede ser aleatoria. De ahí, en parte, las propiedades tan especiales que muestran estos nuevos materiales. También destaca la falta de homogeneidad en la estructura, con fases de más o menos componentes.
La estructura de las aleaciones de alta entropía así como sus propiedades son altamente sensibles a las variaciones en la composición. El ejemplo de la figura 3.21 da buena cuenta de ello. Se refiere a un estudio sistemático de las propiedades mecánicas de la aleación AlxCoCrFeNi de acuerdo a varios métodos de procesado y bajo diferentes condiciones. Variando la concentración de aluminio puede verse cómo ocurre una transición desde una estructura tipo FCC a una BCC tal como muestra el gráfico. Para un rango de composiciones intermedias se encuentra una fase mixta o dúplex que contiene a ambas estructuras cristalinas como describen los autores de este trabajo mediante un análisis basado en microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X. Como puede apreciarse, la dureza de la aleación varía sensiblemente según la estructura cristalina, siendo la estructura BCC unas cinco veces más dura que la FCC. Se concluye entonces que variaciones no demasiado grandes en las composiciones pueden dar como resultado cambios enormes en alguna propiedad, como en este caso la dureza.
Las propiedades mecánicas de las aleaciones de alta entropía son buenas, especialmente en las fases BCC, como ya hemos visto en el ejemplo anterior sobre la dureza. Esta tendencia general se traslada al resto de propiedades mecánicas. Además, estas aleaciones tienen la ventaja de que sus propiedades mecánicas se mantienen en rangos de temperaturas muy amplios. Es decir, se preservan tanto a altas temperaturas (de una forma similar a como vimos en las superaleaciones de níquel, apartado 2.6) como a bajas temperaturas. Carecen de la transición dúctil-frágil que aparece en las aleaciones convencionales a bajas temperaturas y que son motivo de fallo en servicio.
[1] J.-W. Yeh et al. Adv. Eng. Mater. 6 (2004) 299-303. https://doi.org/10.1002/adem.200300567.
[2] B. Cantor et al. Mater. Sci. Eng. A 375-377 (2004) 213-218. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.257.
[3] Figura construida a partir de sendas imágenes de Y. Zhang et al. Prog. Mater. Sci. 61 (2014) 1-93. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.10.001 y D. B. Miracle y O. N. Senkov. Acta Mater. 122 (2017) 448-511. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.081.
[4] Y. Zhang et al. Adv. Eng. Mater. 10 (2008) 534-538. https://doi.org/10.1002/adem.200700240.
[5] Y.-F. Kao et al. J. Alloys Compd. 488 (2009) 57-64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.090.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
