3D

Uma nova liga metálica de alto desempenho, chamada superliga, poderia ajudar a aumentar a eficiência das turbinas usadas em usinas de energia e nas indústrias aeroespacial e automotiva.

Criada em impressora 3D, a superliga é composta por uma mistura de seis elementos que juntos formam um material mais leve e resistente do que os materiais padrão usados ​​em máquinas de turbina convencionais. A forte superliga poderá ajudar as indústrias a reduzir os custos e as emissões de carbono – se a abordagem puder ser ampliada com sucesso.

O desafio: No mundo da ciência dos materiais, a busca por novas ligas metálicas vem se intensificando nos últimos anos. Durante mais de um século, dependemos de ligas relativamente simples como o aço, composto por 98% de ferro, para formar a espinha dorsal das nossas indústrias transformadoras e de construção. Mas os desafios atuais exigem mais: ligas que possam suportar temperaturas mais elevadas e permanecer fortes sob tensão, mas ainda assim leves.

Os engenheiros há muito que tentam optimizar os materiais utilizados nas turbinas – as máquinas giratórias das centrais eléctricas que ajudam a converter a energia mecânica em electricidade. Mas mesmo os materiais mais modernos, como as superligas à base de níquel e cobalto, tendem a degradar-se e a ter um pior desempenho quando expostos a temperaturas extremamente elevadas.

Essa é uma das razões pelas quais os cientistas passaram as últimas duas décadas experimentando ligas complexas, algumas consistindo de até seis metais diferentes. Ao ajustar as proporções exatas dos elementos que compõem uma superliga, os cientistas esperam que ocorram novas interações em escala atômica, levando à descoberta de propriedades benéficas. No entanto, com uma combinação quase infinita de elementos em diferentes proporções, a otimização destas ligas para aplicações específicas apresenta um desafio significativo.

A inovação : Uma abordagem promissora é o uso da tecnologia de impressão 3D. Este método permite aos pesquisadores controlar com precisão as proporções relativas de diferentes metais. Eles conseguem isso derretendo rapidamente metais em uma forma sólida e em pó usando um poderoso laser e depois depositando-os em camadas finas.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Andrew Kustas, do Sandia National Laboratories, em Albuquerque, Novo México, utilizou essa técnica para desenvolver uma superliga de seis elementos de alto desempenho. A liga – feita de 42% de alumínio, 25% de titânio, 13% de nióbio, 8% de zircônio, 8% de molibdênio e 4% de tântalo – é forte, leve e incrivelmente resistente ao calor.

Estas características são especialmente importantes para as turbinas utilizadas nas centrais eléctricas, que respondem por aproximadamente 73% de toda a geração de electricidade a nível mundial. Afinal, quanto mais elevada for a temperatura do gás que aciona as turbinas, mais rapidamente elas giram e mais eficientes se tornam.

Quando aquecida a 800°C (1472°F) – uma temperatura comum em turbinas de usinas de energia – esta superliga permaneceu mais forte e mais leve do que muitas outras projetadas para uma finalidade semelhante. Esta descoberta sugere aplicações potenciais além das turbinas de energia, particularmente na indústria aeroespacial, onde os materiais precisam ser fortes, leves e resistentes a variações extremas de temperatura.

Os pesquisadores também descobriram que o desempenho da superliga estava correlacionado com as previsões geradas a partir de um modelo de computador projetado para prever como combinações específicas de elementos conduziriam a energia térmica. Essas previsões sugerem que futuros modelos computacionais poderão ajudar a prever quais combinações de elementos provavelmente resultarão em superligas novas e úteis.

Para trazer a superliga recém-criada para a produção convencional, a equipe espera encontrar uma maneira de ampliar economicamente seu processo de impressão 3D e, ao mesmo tempo, garantir que os produtos acabados não contenham rachaduras em microescala, o que pode ser difícil de fazer em uma escala maior. . Superar estes desafios poderia ajudar a tornar as máquinas que alimentam a nossa vida quotidiana mais fortes, mais eficientes e menos prejudiciais para o ambiente.