Por
Ligas inovadoras de alta entropia, fabricadas por meio de fabricação aditiva baseada em laser, oferecem resistência e ductilidade sem precedentes para aplicações industriais. Esses novos materiais, analisados com técnicas avançadas, prometem melhor desempenho em condições extremas. Crédito: SciTechDaily.com
A fabricação aditiva baseada em laser produz ligas de alta entropia que são mais fortes e com menor probabilidade de fraturar.
Os pesquisadores fazem um tipo de material chamado ligas duráveis de alta entropia (HEAs), combinando vários metais elementares. HEAs têm usos potenciais em aplicações que envolvem desgaste severo, temperaturas extremas, radiação e alto estresse.
Eles podem ser feitos por meio de impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva (AM), mas isso geralmente resulta em baixa ductilidade. Isso significa que os HEAs impressos em 3D são difíceis de moldar e não se deformam ou esticam o suficiente sob cargas para evitar fraturas.
Os cientistas já usaram AM baseados em laser para formar HEAs que são mais fortes e muito mais dúcteis. Eles usaram espalhamento de nêutrons e raios X e microscopia eletrônica para entender melhor os mecanismos dessas melhorias de desempenho.
Potenciais Aplicações Industriais e Eficiência Energética
A indústria poderia um dia usar HEAs mais fortes e moldados com mais facilidade na fabricação. Para funcionar nessas aplicações, peças HEA leves e complexas precisam de maior durabilidade, confiabilidade e resistência à fratura.
Isto beneficiaria os consumidores e a indústria, por exemplo, ao permitir a produção de veículos mais seguros e mais eficientes em termos de combustível, produtos mais fortes e máquinas mais duradouras. Além disso, a MA baseada em laser, na qual os lasers fundem ligas em pó em formas de metal sólido, é altamente eficiente em termos energéticos. Isso o torna atraente para a produção de novos tipos de HEAs.
Imagens das duas estruturas cristalinas (à direita) encontradas em uma liga de alta entropia (à esquerda) feita por manufatura aditiva. Crédito: Universidade de Massachusetts Amherst
Estrutura Nano-Lamelas e Propriedades Mecânicas
O processo AM baseado em laser produziu nano-lamelas de espessura nanométrica (camadas finas de placas) oferecendo alta resistência, enquanto as bordas distintas das placas permitem um certo grau de deslizamento (ductilidade). As placas consistem em camadas alternadas de estruturas cristalinas cúbicas de face centrada (FCC), com média de aproximadamente 150 nanômetros de espessura, e estruturas cristalinas cúbicas de corpo centrado (BCC), com média de aproximadamente 65 nanômetros de espessura.
Os novos HEAs exibiram altos limites de escoamento de cerca de 1,3 gigapascais – excedendo as ligas de titânio mais fortes. Esses HEAs também oferecem um alongamento de cerca de 14%, que é maior do que outras ligas metálicas AM, dada a mesma resistência ao escoamento. O alongamento é uma medida de quanta flexão um material pode suportar sem quebrar.
Técnicas e instalações de pesquisa avançada
Dados de nêutrons do Fonte de nêutrons de espalaçãouma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE) no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), permitiu aos pesquisadores examinar o compartilhamento de carga mecânica interna das amostras HEA enquanto estavam sob tensão.
Os pesquisadores usaram um átomo instrumento de sonda no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicostambém uma instalação de usuário do DOE no ORNL, para capturar imagens 3D detalhadas das composições e microestruturas, consistindo em camadas alternadas de nano-lamelas.
As fases de diferentes amostras recozidas foram estudadas usando difração de raios X no Fonte Avançada de Fótonsoutra instalação de usuário do DOE Office of Science no Argonne National Laboratory.
Referência: “Ligas nanolamelares de alta entropia fortes, porém dúcteis, por fabricação aditiva” por Jie Ren, Yin Zhang, Dexin Zhao, Yan Chen, Shuai Guan, Yanfang Liu, Liang Liu, Siyuan Peng, Fanyue Kong, Jonathan D. Poplawsky, Guanhui Gao , Thomas Voisin, Ke An, Y. Morris Wang, Kelvin Y. Xie, Ting Zhu e Wen Chen, 3 de agosto de 2022, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-022-04914-8
Esta pesquisa foi realizada na Spallation Neutron Source, na Advanced Photon Source e no Center for Nanophase Materials Sciences, todos instalações de usuários do DOE Office of Science. O apoio financeiro para este trabalho incluiu a National Science Foundation, a Universidade de Massachusetts Amherst e o programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório no Laboratório Nacional Lawrence Livermore.
