Una innovadora aleación de cobre supera los límites de resistencia térmica

El equipo, conformado por investigadores de la Universidad Estatal de Arizona, el Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos (ARL), la Universidad de Lehigh y la Universidad Estatal de Luisiana, presentó una innovadora aleación de composición Cu-3Ta-0,5Li en masa, que destaca por su estabilidad térmica y resistencia mecánica incluso en condiciones extremas.

Los resultados del estudio, publicados en la revista Science, muestran que esta aleación nanocristalina puede soportar temperaturas cercanas a su punto de fusión sin perder sus propiedades estructurales. La clave de su comportamiento excepcional reside en una microestructura única compuesta por precipitados cúbicos de cobre-litio, rodeados por una bicapa atómica rica en tántalo.

“Este diseño de aleación se inspira en los mecanismos que hacen resistentes a las superaleaciones a base de níquel, pero aplicados al cobre”, explicó Kiran Solanki, profesor en la Escuela Ira A. Fulton de Ingeniería en la Universidad Estatal de Arizona y coautor del estudio. El material resultante supera ampliamente el rendimiento de las aleaciones de cobre comerciales disponibles hasta la fecha.

Uno de los aspectos más destacados es su resistencia a la fluencia, es decir, su capacidad para resistir la deformación bajo carga constante y altas temperaturas. Según los datos del estudio, la aleación Cu-3Ta-0,5Li mantiene su estabilidad a 800 °C durante más de 10 000 horas, con una pérdida mínima en el límite elástico, que alcanza los 1120 MPa a temperatura ambiente.

La adición de solo un 0,5 % de litio es clave para estabilizar la estructura interna del material. Este pequeño ajuste transforma los precipitados esféricos habituales en estructuras cúbicas más resistentes al calor y al estrés mecánico, lo que refuerza significativamente el rendimiento de la aleación sin comprometer su ductilidad.

“Lo que buscamos es crear materiales que mantengan su integridad en entornos extremos, como el interior de una turbina o durante el lanzamiento de un cohete”, añadió Solanki. “Al manipular las huellas estructurales del material a nivel atómico, podemos evitar los fallos que tradicionalmente limitan la vida útil de los componentes”.

La aleación está pensada para ser utilizada en componentes donde el calor, la presión y la exigencia mecánica son constantes. Entre sus posibles aplicaciones destacan los intercambiadores de calor, componentes eléctricos de alto rendimiento, armamento, turbinas de gas y sistemas de propulsión en aeronaves o naves espaciales.

Kris Darling, investigador del ARL y coautor del estudio, subrayó que esta investigación podría cambiar la forma en que se diseñan las aleaciones de próxima generación. “La nanoestructuración controlada de aleaciones puede convertirse en la base para crear materiales capaces de resistir condiciones que hoy se consideran límites operativos”.

El proyecto ha sido financiado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y la Iniciativa de Interfaces Nano-Humanas de la Universidad de Lehigh. El artículo completo se titula "A high-temperature Cu-Ta-Li nanostructured alloy with complexity-stabilized precipitates" y está disponible en la edición más reciente de Science.