Um nanolaminado de cobalto e alumínio quebrou o equilíbrio usual entre resistência e ductilidade, tornando-se 10 vezes mais forte que o aço estrutural sem ser perigosamente frágil.
Os motores a jato exigem materiais que possam sobreviver ao calor e à força extremos sem entortar, rachar ou perder lentamente a forma. Candidatos fortes, no entanto, muitas vezes apresentam uma grande fraqueza: são demasiado frágeis para serem deformados com segurança.
Os engenheiros da Purdue University encontraram agora uma maneira de superar a compensação do cobalto-alumínio (CoAl), um composto intermetálico com potencial uso em turbinas de alto desempenho. Ao redesenhar este elemento NanoescalaOs pesquisadores criaram uma forma de CoAl que é excepcionalmente forte, mas que ainda pode sofrer deformação considerável à temperatura ambiente.
Avançar, relatar A ciência avançapoderia apontar para uma estratégia mais ampla para tornar os compostos intermetálicos notoriamente frágeis mais práticos para tecnologias aeroespaciais, energéticas e de defesa.
Por que os intermetálicos fraturam?
Os intermetálicos consistem em dois ou mais elementos metálicos dispostos em uma estrutura cristalina altamente ordenada. Este arranjo atômico lhes confere resistência extraordinária, altas temperaturas de fusão e resistência à fluência, a deformação lenta que ocorre quando um material está sob tensão por longos períodos de tempo.
Estas qualidades são valiosas em motores a jato, turbinas a gás, sistemas de armazenamento de energia e componentes automotivos. No entanto, a mesma estrutura ordenada que torna os intermetálicos fortes pode impedir que se deformem facilmente. Em vez de dobrarem sob a força, muitos fraturam, especialmente à temperatura ambiente.
CoAl explica esse problema. O composto é forte o suficiente para ser considerado em componentes exigentes de turbinas, mas sua fragilidade dificulta a formação de formas complexas e limita sua capacidade de suportar tensões mecânicas repentinas.
“Os intermetálicos de carvão a granel são um compósito de alta resistência”, disse o autor correspondente Jinhang Zhang, professor da Escola de Engenharia de Materiais de Purdue. “Entre outras aplicações, eles poderiam ser potencialmente usados em materiais de próxima geração para pás de turbinas para motores aeronáuticos, que são motores de turbina a gás que geram impulso para a aviação. Ligas de carvão de alta resistência e plasticamente deformáveis permitem que um motor ou turbo gire mais rápido e mantenha um desempenho mais elevado.
Defeitos de cristal auxiliam na engenharia
Os pesquisadores abordaram o problema introduzindo deliberadamente imperfeições no material.
Num cristal, os átomos geralmente seguem um padrão geométrico repetitivo. Uma luxação é um distúrbio microscópico nesse padrão. Embora os defeitos sejam frequentemente associados à fraqueza, as discordâncias podem dar aos metais uma maneira de mudar de forma, permitindo que camadas de átomos se movam em vez de se separarem.
O CoAl geralmente não possui discordâncias móveis suficientes para se deformar significativamente à temperatura ambiente. Tentativas anteriores de melhorar a sua plasticidade alterando a sua estrutura ou combinando-a com outros materiais tiveram sucesso limitado.
Interfaces flexíveis desbloqueiam a plasticidade
A equipe Purdue mudou diretamente para a CoAl assim que foi formada. Eles criaram uma rede de interfaces amorfas, limites finos onde os átomos não têm a ordem encontrada em um cristal.
“Neste estudo, mostramos que o CoAl pode exibir plasticidade significativa à temperatura ambiente, oferecendo uma abordagem nova e alternativa para melhorar a capacidade de deformação plástica do CoAl”, disse Ke Xu, pesquisador de pós-doutorado da Purdue e primeiro autor do estudo.
Esses limites internos flexíveis fazem mais do que divisórias passivas. Durante a deformação, partes da interface cristalizam e ajudam a criar deslocamentos adicionais, dando assim às camadas de carvão circundantes mais formas de absorver energia.
“Induzimos diretamente deslocamentos nas bobinas”, disse Zhang. “Mais importante ainda, projetamos a estrutura da interface amorfa (FAI) – o limite flexível em materiais para flexibilidade estrutural, que cristaliza parcialmente durante a deformação e promove a nucleação de discordâncias em intermetálicos de CoAl.”
Mais forte que o aço estrutural
Os nanolaminados resultantes atingem limites de escoamento de 6 GPa (gigapascais, uma medida de tensão), cerca de 6 a 10 vezes maiores do que o aço estrutural de alta resistência. A resistência ao escoamento mede a quantidade de tensão que um material pode suportar antes de começar a deformar-se permanentemente.
Apesar dessa extrema resistência, o material retém 15% de deformação plástica sob compressão à temperatura ambiente. Em outras palavras, pode sofrer deformações permanentes significativas sem fraturar imediatamente.
“Esta combinação de resistência mecânica muito alta e excelente plasticidade torna o atual sistema nanolaminado de CoAl um dos melhores sistemas intermetálicos relatados até agora”, disse Xu.
Construção de poços a vapor
A equipe fabricou o material usando deposição por pulverização catódica por magnetron. Durante este processo, os átomos são liberados de um material de origem e depositados como uma película fina em outra superfície. Ao contrário da soldagem convencional, que solidifica o metal fundido, a pulverização catódica permite que um material seja formado diretamente fosso vapor
Esta rota não convencional ajudou a reter um grande número de discordâncias dentro da bobina enquanto criava uma interface amorfa de alumínio-cobalto.
“Este método de fabricação sem equilíbrio nos permite criar um material sólido a partir do vapor da liga, que introduz um número significativo de discordâncias no CoAl”, disse Zhang. “Conseguimos alcançar resistência e plasticidade significativas no CoAl, o que não pode ser obtido com a fundição tradicional.”
Visualizando a deformação em escala atômica
Os pesquisadores comprimiram o material enquanto o observavam em um microscópio eletrônico de varredura. Este teste in situ permite rastrear como a estrutura microscópica muda à medida que o carvão se deforma.
O professor Yashshree Kulkarni da Universidade de Houston e o estudante de doutorado Anand Mathew também realizaram simulações de dinâmica molecular para examinar o processo em nível atômico. Seus modelos cristalizam partes da interface amorfa sob tensão e revelam deslocamentos nas camadas vizinhas de carvão.
Juntos, experimentos e simulações sugerem que as interfaces atuam como fontes ativas de deformação plástica. Em vez de enfraquecer o material, ajudam-no a responder ao estresse sem sacrificar a sua resistência excepcional.
Materiais de turbina de nanocamadas
O presente material é um sistema em camadas em nanoescala produzido por deposição de filme fino, ainda não um material de turbina a granel. O próximo desafio dos pesquisadores é transferir o mesmo conceito estrutural para nanocompósitos de CoAl maiores que possam ser fabricados em escala industrial.
“Testaremos o conceito utilizando outros intermetálicos, com o objetivo de estabelecer a aplicabilidade geral do FAI para melhorar a plasticidade desta classe de metal”, disse Xu.
Se o método funcionar com outros compostos, poderá oferecer aos engenheiros uma nova maneira de projetar materiais para ambientes onde os metais convencionais têm dificuldades. Em vez de escolher entre resistência e deformação, os pesquisadores podem ser capazes de projetar ambas controlando onde as falhas se formam e como elas respondem às forças de contorno internas.
“Os intermetálicos flexíveis aumentarão significativamente nossa capacidade de projetar materiais avançados para aplicações espaciais e aeroespaciais, de energia e de defesa”, disse Zhang.
Referência: Ke Xu, Anand Mathew, Zhongjia Shang, Devargha Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yasashree Kulkarni e Jinghang Zhang, 20 de junho de 2018, 17, 20, 2018 A ciência avança.
DOI: 10.1126/sciadv.aeb0766
O financiamento para esta pesquisa foi fornecido principalmente pelo Programa de Metais e Nanoestruturas Metálicas da National Science Foundation.
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