Las nanopartículas marcan una gran diferencia en el aluminio "no soldable"

Aunque gran parte de ella está oculta a la vista, la soldadura es una parte vital de la sociedad. Es el pegamento que mantiene unida la estructura de los automóviles que conducimos, los edificios que ocupamos, los electrodomésticos que utilizamos y la maquinaria pesada que nos mantiene avanzando. Cada año, continúa la búsqueda incansable de materiales más resistentes y livianos para agilizar nuestro viaje hacia el futuro del transporte y la exploración espacial.

Algunos de estos materiales futuristas existen desde hace décadas, pero la tecnología necesaria para soldarlos se quedó atrás. Un grupo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA encontró recientemente la clave para desbloquear la soldabilidad de la aleación de aluminio 7075, que se desarrolló en la década de 1940. Al agregar nanopartículas de carburo de titanio a la mezcla, pudieron crear una unión que resultó ser más fuerte que las propias piezas.

En términos más simples, la soldadura se define como "la unión de metales y plásticos sin el uso de sujetadores". El tipo más común se conoce como soldadura por fusión, donde los metales originales se funden junto con una llama o un electrodo. La soldadura sin fusión incluye soldadura y soldadura fuerte. En estos métodos, se utiliza un tercer metal como relleno para ayudar a unir las piezas.

La soldadura se remonta a la Edad Media y los primeros soldadores fueron herreros. Estos valientes hombres cubiertos de hollín cortaban y unían piezas de hierro utilizando nada más que fuego, martillos y una gran paciencia. La Revolución Industrial aumentó la demanda de soldadura en varios órdenes de magnitud, porque gran parte de la maquinaria de esa época se fabricaba fundiendo metal fundido. Esto dio lugar a toda una subindustria construida sobre un nuevo proceso de soldadura por fundición, que implicaba calentar las piezas rotas, atornillar un molde alrededor de ellas y verter metal fundido.

Cuando llegó la electricidad en el siglo XX, las varillas de arco de carbono utilizadas en los accesorios de iluminación despertaron la idea de la soldadura por arco. La soldadura por arco funciona creando un circuito entre una fuente de alimentación (el soldador de arco) y los metales a soldar. El cable de tierra está sujeto a la pieza de trabajo y el cable positivo pasa a una abrazadera con resorte que sostiene un electrodo de 12-14 ″. Esta varilla consta de un metal de aportación compatible con los padres recubierto con un material fundente que se convierte en gas cuando se calienta. Este gas protege la pieza de trabajo y el metal de aportación de las impurezas del aire mientras se forma el cordón. La desventaja es que también crea una escoria de suciedad solidificada que debe eliminarse.

La soldadura con gas oxiacetileno llegó poco después de la soldadura por arco, y la Primera Guerra Mundial avanzó en ambos métodos. A medida que la industria aeronáutica comenzó a despegar, se disparó la demanda de metales livianos y duraderos y de personas para soldarlos. Un estilo más nuevo de soldadura conocido como GTAW (soldadura por arco de tungsteno con gas), Heli-Arc o TIG (gas inerte de tungsteno) comenzó a ganar popularidad. Aunque es difícil de dominar, la soldadura TIG ofrece un control más preciso y proporciona excelentes resultados.

Muchos metales comúnmente soldados son aleaciones de varios metales diferentes. Esto se debe a que los metales puros son demasiado blandos (y valiosos) para las estructuras de automóviles y edificios. El único problema es que los metales que constituyen algunas aleaciones no se funden bien. Cuando se calientan, los diferentes metales fluyen de manera desigual y se desarrollan grietas a lo largo de la junta soldada. Este talón de Aquiles hace que una serie de aleaciones que de otro modo serían fuertes y de buena reputación sean inútiles para aplicaciones soldadas.

AA7075 es una de estas aleaciones. Esta mezcla de aluminio, zinc, magnesio y cobre de décadas de antigüedad es extremadamente fuerte pero liviana. Es ideal para diversas aplicaciones, especialmente donde se valora la eficiencia del combustible y la conservación de la batería. El único problema es que AA7075 es muy susceptible a agrietarse cuando se suelda. Aunque se utiliza ampliamente en fuselajes de aviones remachados, generalmente se considera que AA7075 no se puede soldar por ningún medio.

Un equipo de investigación de UCLA dirigido por el estudiante de posgrado Maximilian Sokoluk y el profesor Xiaochun Li le han dado a la aleación una nueva vida. Han encontrado una manera de soldar TIG dos piezas de AA7075 sin agrietarse en absoluto.

La soldadura TIG (gas inerte de tungsteno) utiliza un electrodo de tungsteno no consumible situado dentro de un soplete. Durante la soldadura, el soplete libera helio o argón, que protege la soldadura de las impurezas. Se puede introducir un alambre de relleno separado hecho de una aleación compatible para completar la unión, aunque no es necesario para metales base más gruesos.

El artículo describe cómo la adición de nanopartículas de carburo de titanio a la mezcla les permitió crear una unión que resultó ser más fuerte que las piezas mismas. El metal de aportación del alambre está impregnado de nanopartículas de carburo de titanio, que fortalecen las propiedades mecánicas del metal en la zona de fusión. Utilizando microscopios electrónicos, los investigadores estudiaron secciones transversales de las uniones y descubrieron que las nanopartículas cambiaban los mecanismos de solidificación de la aleación. De hecho, proporcionan tanto refuerzo que el metal en la zona de fusión se vuelve más duro que los metales originales.

La unión resultante es bastante fuerte, con una resistencia a la tracción de hasta 392 megapascales. Para decirlo en términos un poco más accesibles, significa que puede soportar más de tres veces la presión en el fondo de las Marianas, la fosa oceánica más profunda del mundo. Esta no solo es una gran noticia para AA7075, sino que también podría crear nuevas oportunidades para otras aleaciones de alta calidad que antes no eran soldables.