La profesora asistente Mostafa Hassani (izquierda) y el estudiante de doctorado Qi Tang trabajan con una plataforma óptica láser personalizada para lanzar micropersectiles supersónicos y estudiar cómo las colisiones metálicas de alta velocidad forman enlaces de estado sólido. Crédito: Universidad de Cornell
Más rápido no siempre es mejor cuando se trata de ciencia de materiales de alta velocidad, según una nueva investigación de Cornell que muestra que las pequeñas partículas de metal se unen mejor a una velocidad supersónica precisa.
En procesos industriales, como el recubrimiento de pulverización en frío y la fabricación de aditivos, las pequeñas partículas de metal viajan a velocidades extremas y dan una superficie con tal fuerza que se fusionan, formando fuertes enlaces metálicos. Esta colisión rápida de alta energía acumula capas de material, creando componentes duraderos y de alto rendimiento. Comprender cómo y por qué se forman estos enlaces, y a veces fallan, puede ayudar a optimizar las técnicas de fabricación y conducir a materiales más fuertes.
En un estudio publicado el 31 de marzo en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, los científicos de Cornell lanzaron partículas de aluminio, cada una de unos 20 micrómetros de diámetro, en una superficie de aluminio a velocidades de hasta 1,337 metros por segundo, más allá de la velocidad del sonido, y utilizaron cámaras de alta velocidad para registrar los impactos.
Los resultados mostraron que la fuerza de la unión aumentó constantemente a medida que aumentó la velocidad de impacto, pero a medida que la velocidad aumentó más allá de 1,060 metros por segundo, la fuerza de enlace comenzó a disminuir. En 1.337 metros por segundo, las partículas apenas se adhirieron a la superficie.
“Fue una sorpresa total”, dijo la autora principal Mostafa Hassani, profesora asistente de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de Sibley y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, ambos en Ingeniería de Cornell.
“La expectativa era que a medida que avanza, debería obtener una mejor calidad de unión”, dijo Hassani. “Este estudio muestra que, de hecho, hay un pico en la fuerza de enlace y una mayor velocidad no necesariamente conduce a fuerzas más altas”.
Una almohadilla de lanzamiento de microproyectiles en el laboratorio del Grupo Hassani puede disparar partículas de metal a velocidades supersónicas y capturar el impacto utilizando cámaras de alta velocidad. Crédito: Charissa King-O’Brien/Cornell Engineering
Los investigadores atribuyen esta disminución en la fuerza de los bonos a un fenómeno llamado recuperación elástica intensificada. A velocidades extremadamente altas, el material de la superficie pierde parte de su capacidad para absorber la energía a través de la deformación y, en cambio, se almacena más energía como tensión elástica, lo que hace que las partículas vuelvan a tomar el impacto. Este efecto de rebote estira y daña la interfaz, debilitando el enlace.
En algunos procesos industriales, las velocidades extremadamente altas pueden erosionar o incluso derretir la superficie, evitando la unión adecuada. Qi Tang, estudiante de doctorado y autor principal del estudio, dijo que los nuevos hallazgos pueden ayudar a optimizar los procesos de fabricación al proporcionar información sobre por qué ocurre la erosión.
“Anteriormente, las personas en la industria pueden haber especulado que la erosión es causada por partículas de movimiento rápido que se que dan un paso a través de la superficie del sustrato o por derretirse en la interfaz”, dijo Tang. “Pero ahora vemos que cuando da una velocidad súper alta a una partícula, la mayor tendencia de rebote puede hacer que una partícula previamente unida se separe, evitando la acumulación de material”.
Si bien el estudio se centró en el aluminio, los investigadores dijeron que el mecanismo responsable de la velocidad de unión máxima es probablemente universal en todos los metales y aleaciones. Los estudios posteriores investigarán cómo el tamaño de la partícula influye en los resultados y explorará formas potenciales de diseñar tanto las partículas como la superficie del sustrato para maximizar la resistencia de la unión.
Más información: Qi Tang et al, resistencia a la unión inducida por el impacto de las micropartículas en los picos de metales con velocidad, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2025). Doi: 10.1073/pnas.2424355122
Proporcionado por la Universidad de Cornell
Cita: Límite de velocidad supersónico para una unión de metal fuerte revelado (1 de abril, 1 de abril) recuperado el 1 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-supersonic-limit-strong-metal-bonding.html
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