Os motores a jato são implacáveis. Eles exigem materiais que resistam ao calor e à força sem dobrar, rachar, perder a forma ou deformar-se lentamente sob tensão.
O problema? Os candidatos mais fortes são muitas vezes demasiado frágeis.
Os engenheiros da Purdue University acabaram de desafiar esta regra. Eles redesenharam o cobalto-alumínio (CoAl) em nanoescala. O resultado é um nanolaminado de cobalto-alumínio até 10 vezes mais resistente que o aço estrutural de alta resistência.
E não quebra como vidro.
Publicada na Science Advances, esta descoberta oferece um novo caminho para tornar intermetálicos notoriamente frágeis utilizáveis na indústria aeroespacial e na defesa.
A natureza frágil dos intermetálicos
Os compostos intermetálicos contêm dois ou mais metais dispostos em uma rede cristalina altamente ordenada. Essa ordem cria força. Também cria altos pontos de fusão e resistência à fluência – a deformação lenta sob estresse de longo prazo.
Essas características são perfeitas para motores a jato, turbinas a gás e sistemas de energia. Mas essa mesma rigidez atômica é o problema.
A maioria dos intermetálicos não pode dobrar. Em vez disso, eles fraturam. Isto é especialmente verdadeiro à temperatura ambiente.
“Entre outras aplicações, eles podem potencialmente ser aplicados em pás de turbinas de próxima geração para motores aeronáuticos… Ligas de alta resistência e plasticamente deformáveis podem permitir que um motor gire mais rápido enquanto sustenta forças centrífugas mais altas.” -Xinghang Zhang
O CoAl exemplifica esse dilema. É forte o suficiente para componentes exigentes. Mas sua fragilidade torna quase impossível a fabricação de formas complexas e o deixa vulnerável a tensões mecânicas repentinas.
Defeitos de engenharia propositalmente
Para corrigir a fragilidade, geralmente você pensa em reduzir as falhas. Aqui, os pesquisadores fizeram o oposto.
Num cristal perfeito, os átomos seguem um padrão geométrico estrito. Uma luxação – uma ruptura microscópica – normalmente é vista como um defeito. Mas nos metais, as discordâncias permitem que os átomos deslizem uns sobre os outros. Isso permite que o material mude de forma sem quebrar.
O CoAl não possui deslocamentos móveis à temperatura ambiente. Tentativas anteriores de aumentar a sua plasticidade alterando a composição ou misturando materiais não conseguiram produzir resultados significativos.
A equipe de Purdue seguiu um caminho diferente.
Eles construíram as discordâncias diretamente no material durante a formação. Eles também criaram uma rede de “interfaces amorfas”. Esses são limites finos onde os átomos não possuem o arranjo ordenado encontrado em um cristal.
Por que as interfaces amorfas são importantes
Esses limites flexíveis fazem mais do que separar camadas de CoAl.
Durante a deformação, partes dessas interfaces amorfas cristalizam parcialmente. Este processo desencadeia a criação de novos deslocamentos. Esses deslocamentos fornecem às camadas circundantes de CoAl mais maneiras de absorver o impacto.
“Projetamos a estrutura de interfaces amorfas… limites flexíveis nos materiais para flexibilidade estrutural… que promovem a nucleação dos deslocamentos.” -Xinghang Zhang
Ke Xu, o primeiro autor do estudo, observa que esta abordagem oferece uma alternativa para melhorar as capacidades de deformação plástica no CoAl. As interfaces atuam como fontes ativas de plasticidade. Eles ajudam o material a responder ao estresse, em vez de simplesmente rachar sob ele.
Resistência ao escoamento comparada ao aço estrutural
Os números são surpreendentes.
O nanolaminado atingiu um limite de escoamento de 6 GPa (gigapascais). Para colocar isso em perspectiva, o aço estrutural de alta resistência normalmente varia entre 0,4 GPa e 0,5 GPa. Esta nova liga é cerca de 6 a 10 vezes mais forte.
O limite de escoamento mede quanta tensão um material pode suportar antes de se deformar permanentemente.
No entanto, apesar dessa resistência extrema, o nanolaminado de CoAl suportou 15% de tensão plástica sob compressão à temperatura ambiente. Pode sofrer deformações permanentes significativas. Não fratura imediatamente.
“Esta combinação de resistência mecânica ultra-alta e plasticidade excepcional torna o atual sistema Nanolaminado de CoAl um dos Melhores Sistemas Intermetálicos relatados até o momento.” -Ke Xu
Criando o material a partir do vapor
Como você faz isso? A fundição tradicional derrete o metal e deixa-o solidificar. Isso não vai funcionar aqui.
A equipe usou deposição por pulverização catódica com magnetron.
Os átomos são liberados de um material de origem como vapor. Eles se depositam como uma película fina em outra superfície. Esta abordagem de “não-equilíbrio” permite que o material se forme diretamente a partir do vapor.
Este método captura um grande número de discordâncias dentro do CoAl. Ele também cria esses limites críticos de alumínio-cobalto amorfos. A fundição tradicional não consegue atingir esta combinação específica de recursos.
Observando a deformação em tempo real
A teoria é útil. A prova requer observação.
Os pesquisadores compactaram o material dentro de um microscópio eletrônico de varredura. Este teste in situ permitiu-lhes observar mudanças microscópicas à medida que o CoAl se deformava.
Simulações apoiaram o visual. Os professores da Universidade de Houston, Yashashree Kulkarni, estudante Anand Mathew, executaram modelos de dinâmica molecular. Os dados mostraram as interfaces amorfas cristalizando sob pressões. Isso liberou deslocamentos nas camadas adjacentes de CoAl.
Os experimentos confirmaram o que as simulações sugeriam: essas interfaces auxiliam ativamente na deformação plástica. Eles fortalecem a capacidade do material de lidar com tensões sem sacrificar sua resistência inerente.
Além da nanoescala
Atualmente, este nanolaminado de CoAl é um sistema de película fina. Ainda não é uma lâmina de turbina em massa.
A próxima etapa é o dimensionamento. Os pesquisadores pretendem transferir este conceito estrutural para nanocompósitos de CoAl maiores, capazes de fabricação industrial.
Eles também planejam testar o conceito de “estrutura de interfaces amorfas” em outros intermetálicos. Se for válido para diferentes compostos, fornece uma estratégia generalizável para melhorar a plasticidade em toda esta classe de metais.
“Os intermetálicos dúcteis aumentam significativamente nossas capacidades de projeto de materiais avançados para aplicações aeroespaciais, de energia e de defesa.” -Xinghang Zhang
Em vez de forçar uma escolha entre resistência e deformabilidade, os engenheiros poderão em breve ser capazes de projetar ambas. Ao controlar onde os defeitos se formam e como os limites reagem, poderemos finalmente desbloquear metais que antes eram considerados inutilizáveis.
Referência:
“Plasticidade em intermetálicos frágeis possibilitada pela estrutura de interfaces amorfas e deslocamentos preexistentes” por Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashase Kulkarni e Xinghng Zhang, 17 de junho, Science Advances.
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Financiamento fornecido pelo programa de Metais e Nanoestruturas Metálicas da National Science Foundation.
