Ciência dos materiais
Nova Liga Cr-Mo-Si Pode Redefinir os Limites de Calor de Motores a Jato
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Pesquisadores desenvolveram um novo material com resistência a altas temperaturas notavelmente alta, demonstrando forte potencial para uso em motores a jato.
Tecnologias poderosas como motores a jato, turbinas a gás, máquinas industriais e equipamentos de raios X exigem materiais que suportem temperaturas extremamente altas. Metais refratários como tungstênio (W), cromo (Cr) e molibdênio (Mo), com pontos de fusão extremamente elevados, em torno de 2.000 graus Celsius ou mais, e resistência excepcional ao calor, desgaste e deformação, são ideais para essas aplicações.
No entanto, embora esses metais apresentem estabilidade térmica impressionante, tornam‑se muito frágeis à temperatura ambiente. Eles também oxidam rapidamente quando expostos ao oxigênio, levando à falha do material em temperaturas entre 600 e 700 graus Celsius.
Como resultado, esses materiais só podem ser usados efetivamente sob condições de vácuo complexas, como em ânodos rotativos de raios X. Para superar essas limitações, engenheiros há muito confiam em superligas à base de níquel para construir componentes que precisam resistir a altas temperaturas.
Superligas à Base de Níquel: Pontos Fortes, Limites e Por Que Estão Chegando ao Máximo
Uma superliga é uma liga de alto desempenho conhecida por suas propriedades mecânicas excepcionais e resistência a calor extremo e altas tensões. Elas também apresentam boa estabilidade de superfície e de fase, além de alta resistência à oxidação e corrosão.
Essas ligas foram inicialmente desenvolvidas para turbinas de motores de aeronaves, apenas para se expandirem ao longo do tempo para muitas outras aplicações exigentes, incluindo turbinas a gás, motores de foguete, geração de energia, processamento químico e refinarias de petróleo.
São principalmente baseadas em níquel, ferro ou cobalto e podem manter a integridade mecânica em temperaturas onde a maioria das outras ligas falharia.
O níquel (Ni) tem importância fundamental aqui. O metal de transição branco‑prateado e lustroso é conhecido por seu uso em ligas de aço inoxidável. Ele realmente desempenha um papel importante na densidade de energia e desempenho de baterias, permitindo capacidades de maior autonomia em veículos elétricos.
As propriedades do metal também são críticas para componentes aeroespaciais, que são expostos a variações de temperatura e umidade. Sendo resistentes à oxidação e corrosão, as ligas de níquel prolongam a vida útil dos componentes, aumentando assim a eficiência operacional e a segurança.
As superligas à base de níquel são, na verdade, as mais amplamente utilizadas nas partes mais quentes, representando mais de 50 % do peso dos motores avançados de aeronaves, graças à sua resistência excepcional à fluência e ruptura por tensão em altas temperaturas.
Elas também exibem resistência a altas temperaturas, resistência à fadiga, durabilidade leve e boa condutividade elétrica.
Essas ligas multicomponentes consistem em níquel e podem incluir elementos de liga como alumínio (Al), cromo (Cr), cobalto (Co), titânio (Ti) e molibdênio (Mo) para aprimorar suas propriedades.
No entanto, as superligas à base de níquel têm suas próprias limitações, incluindo alto custo, dificuldade de usinagem devido ao encruamento e baixa condutividade térmica, e suscetibilidade a fissuras durante soldagem e manufatura aditiva. Elas também podem sofrer oxidação e experimentar degradação das propriedades mecânicas devido à formação de precipitados indesejáveis.
“As superligas existentes são feitas de muitos elementos metálicos diferentes, incluindo alguns de disponibilidade rara, de modo que combinam várias propriedades. Elas são dúcteis à temperatura ambiente, estáveis em altas temperaturas e resistentes à oxidação.”
– Professor Martin Heilmaier do Instituto de Materiais Aplicados, Ciência e Engenharia de Materiais do KIT
Mas a questão são suas temperaturas de operação, que são “as temperaturas nas quais podem ser usadas com segurança”, e variam até 1.100 graus Celsius. Ele acrescentou:
“Isso é muito baixo para explorar todo o potencial de maior eficiência em turbinas ou outras aplicações de alta temperatura. O fato é que a eficiência nos processos de combustão aumenta com a temperatura.”
Para remover essas limitações, a Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) forneceu financiamento, e os pesquisadores desenvolveram com sucesso desenvolveram1 uma nova liga de cromo (Cr), molibdênio (Mo) e silício (Si).
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Liga Refratária Cr-Mo-Si: Ductilidade à Temperatura Ambiente + Resistência à Oxidação a 1.100 °C
Enquanto carros e caminhões estão sendo rapidamente eletrificados para alcançar transporte sustentável e descarbonizar o setor, motores de combustão em aeronaves de longo alcance ainda serão necessários, pelo menos nas próximas décadas.
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| Propriedade | Superligas à Base de Ni | Cr-36.1Mo-3Si (nova) | Por que é Importante |
|---|---|---|---|
| Temperatura máxima segura do metal (aprox.) | ~1,050–1,100 °C with cooling/TBCs | Resistente à oxidação até 1.100 °C | Temperaturas permitidas mais altas → ganhos de eficiência |
| Ductilidade à temperatura ambiente | Boa | **Presente** (ductilidade à compressão) | Fabricabilidade e tolerância a danos |
| Oxidação na faixa de 600–700 °C | Controlada por revestimentos/ refrigeração | Crescimento de camada lento; pitting suprimido | Prolonga a vida em regimes críticos |
| Ponto de fusão/solidus | Inferior às ligas refratárias | Classe ~2.000 °C | Margem para ciclos futuros |
| Custo/complexidade | Alto; muitos elementos | Menos elementos; novas cadeias de suprimento necessárias | Questão de escalabilidade para a indústria |
Aviões alimentados por eletricidade, observou Heilmaier, “praticamente não serão adequados para voos de longa distância nas próximas décadas. Portanto, uma redução significativa do consumo de combustível será uma questão vital.”
Em uma turbina, um aumento de apenas 100 graus Celsius na temperatura pode reduzir o consumo de combustível em cerca de 5 %.
Portanto, uma forma de melhorar a eficiência da conversão de energia de combustíveis fósseis ou sintéticos é aumentar suas temperaturas de operação. Mas, para alcançar isso, as superligas de níquel monocristalinas precisam ser substituídas por materiais refratários nas áreas mais quentes das turbinas, que apresentam temperaturas de solidus muito mais altas, acima de 2.000 °C.
A substituição das superligas avançadas à base de Ni por novos materiais metálicos‑intermetálicos, porém, é dificultada por duas limitações principais. Isso inclui falta de resistência à oxidação e/ou ductilidade à temperatura ambiente (RT).
O fato é que a ductilidade e a resistência à oxidação não podem ser previstas de forma suficiente para permitir o design de materiais direcionado.
Atualmente, não existem capacidades de simulação preditiva precisas para nenhuma das duas propriedades. Isso ocorre apesar do progresso significativo feito no desenvolvimento de materiais assistido por computador. Como resultado, cientistas e engenheiros precisam depender de observações.
Publicado na Nature, o estudo mais recente intitulado ‘Uma liga de cromo‑molibdênio dúctil resistente à oxidação em alta temperatura‘ apresentou o novo material: uma liga de fase única Cr‑36.1Mo‑3Si.
A liga baseada em metal refratário “é dúctil à temperatura ambiente, seu ponto de fusão é tão alto quanto cerca de 2.000 graus Celsius e – ao contrário das ligas refratárias conhecidas até hoje – oxida apenas lentamente, mesmo na faixa crítica de temperatura”, disse o Dr. Alexander Kauffmann, professor da Ruhr University Bochum, que desempenhou um papel importante nessa descoberta.
O uso de Cr e Mo aqui resolve os problemas dos elementos metálicos refratários, que apresentam dificuldades de oxidação, limitando sua aplicação. Enquanto o Cr leva à formação de uma camada protetora de Cr2O3, o Mo torna as regiões resistentes à nitretação.
O Si é usado como um terceiro elemento em menor proporção para garantir o crescimento lento da camada de Cr2O3. Sua baixa quantidade permitiu aos pesquisadores sintetizar soluções sólidas desordenadas de fase única.
Com suas propriedades incomparáveis, “isso alimenta a visão de ser capaz de fabricar componentes adequados para temperaturas de operação substancialmente superiores a 1.100 graus Celsius. Assim, o resultado de nossa pesquisa tem o potencial de possibilitar um verdadeiro salto tecnológico,” disse Kauffmann.
Mas, embora o material atenda aos requisitos críticos mais importantes para materiais refratários, para ser usado em nível industrial, ele precisa passar por “muitos outros passos de desenvolvimento.”
Ainda assim, “com nossa descoberta na pesquisa fundamental, alcançamos um marco importante. Grupos de pesquisa em todo o mundo agora podem construir sobre essa conquista,” disse Heilmaier.
Quem Está Liderando a Corrida de Materiais: EUA, Europa, China, Turquia
À medida que os pesquisadores continuam a romper as barreiras de temperatura e durabilidade das superligas tradicionais à base de níquel, descobertas semelhantes estão surgindo ao redor do mundo.
No início deste ano, uma equipe do Ames National Laboratory descobriu uma nova liga que pode substituir potencialmente as superligas à base de níquel e cobalto, cujos limites de tolerância ao calor restringem a melhoria na eficiência energética.
Eles também naturalmente recorreram a metais refratários porque são os únicos com pontos de fusão muito mais altos que os do níquel e cobalto. Mas, claro, há a questão complexa de fabricar e moldar esses metais em peças.
Portanto, os pesquisadores decidiram combinar metais refratários em ligas de múltiplos elementos principais, que não se baseiam em um único elemento, mas em três ou mais elementos, nenhum excedendo 50 % da composição total.
“Entendemos que combinar muitos desses elementos puros, normalmente frágeis, em quantidades significativas cria estruturas atômicas que apresentam propriedades emergentes e únicas.”
– Líder da equipe Nicholas Argibay, cientista do Ames Lab, um Laboratório Nacional do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA operado pela Iowa State University.
No entanto, combinar mais de três elementos significa “milhões de combinações a serem pesquisadas”, o que consome tempo. Mas graças à IA, eles puderam economizar tempo e dinheiro e “acertar” na primeira tentativa.
Portanto, para encontrar os materiais e suas composições, os pesquisadores utilizaram uma estrutura computacional, desenvolvida por dois cientistas do Ames Lab, Prashant Singh e Duane Johnson.
“Montamos uma metodologia guiada por teoria que interage com experimentos. Ela orienta os experimentadores na direção correta para novas ligas com as propriedades específicas que desejam nesses materiais.”
– Johnson
Esta nova liga apresenta maior resistência à deformação em temperaturas mais altas e as propriedades de ductilidade necessárias para ser fabricada usando métodos comercialmente estabelecidos.
Os pesquisadores do MIT mesclaram aprendizado de máquina (ML) com impressão 3D de metal2 para projetar uma liga à base de Al cujas peças impressas correspondem à resistência do 7075 forjado — e, após envelhecimento a 400 °C, são ~50 % mais fortes que o melhor benchmark de Al imprimível.
Para criar este novo metal, a equipe misturou alumínio com outros elementos identificados por meio de simulações e ML.
Os pesquisadores esperam transformar seu novo metal imprimível em produtos mais fortes, mais leves e resistentes à temperatura, como pás de ventilador em motores a jato, que atualmente são feitas com titânio mais caro e pesado.
“Se pudermos usar material mais leve e de alta resistência, isso economizaria uma quantidade considerável de energia para a indústria de transporte,” disse a líder do estudo Mohadeseh Taheri-Mousavi, agora professora assistente na Carnegie Mellon University.
Além da indústria aeroespacial e de transporte, os pesquisadores imaginam que sua liga imprimível seja usada em dispositivos de refrigeração para data centers e automóveis de alto padrão. Seu trabalho enfatiza como a manufatura aditiva e o design de ligas impulsionado por IA se unem para criar materiais mais leves, mais fortes e termicamente mais eficientes, propriedades essenciais para a futura propulsão a jato e sistemas de energia.
Na outra parte do mundo, o fabricante turco de motores aeroespaciais TEI relatou desenvolver mais de 20 superligas e ligas de titânio exclusivas para uso em tecnologia de motores de caça e helicóptero.
“Guerras agora são vencidas em laboratórios e fábricas. A tecnologia que você produz determina o destino da guerra.”
– Gerente Geral da TEI Mahmut Faruk Aksit
Com temperaturas dentro dos motores de aeronaves atingindo níveis extremamente altos, “metade da temperatura da superfície do sol”, são necessários metais que possam operar sob esse calor extremo. Isso torna “sistemas de refrigeração, revestimentos especiais e tecnologias de materiais críticos,” ele acrescentou.
Momentum semelhante está se desenvolvendo na China, onde pesquisadores atualmente estão trabalhando em uma nova técnica de resfriamento de superliga para melhorar o desempenho e a durabilidade de componentes de motores de turbina de alta temperatura, o que pode viabilizar motores a jato avançados.
Pesquisadores chineses também criaram uma nova técnica para produzir pás de turbina de liga que podem suportar temperaturas até 15 % superiores às versões existentes. Essa resistência ao calor aprimorada deve proporcionar maior empuxo ao motor, melhor eficiência energética e vida útil mais longa.
“Este método incorpora uma estrutura compósita de cobre‑magnésio‑aço dentro da pá usando técnicas de processamento termo‑mecânico,” afirma a patente da tecnologia. “Isso permite que a pá mantenha funcionalidade a longo prazo sob condições de alta temperatura extrema.”
O uso da condutividade térmica do cobre e da resistência ao calor do aço torna o compósito adequado para futuras aplicações em aeronaves e câmaras de combustão de motores de foguete. Assim, é assim que cientistas ao redor do mundo estão trabalhando para melhorar diversos aspectos dos motores a jato, ajudando a revolucionar a aviação e a geração de energia.
Investindo no Avanço de Motores a Jato
A empresa aeroespacial e de defesa, Raytheon Technologies (RTX ), é um dos principais investidores globais em materiais avançados e inovação em propulsão através de sua subsidiária Pratt & Whitney. Este segmento fornece motores de aeronaves para clientes militares, de jatos executivos, comerciais e de aviação geral.
Possui dois outros segmentos: a Collins Aerospace fornece produtos aeroespaciais e de defesa tecnologicamente avançados e soluções de serviços pós‑venda, e a Raytheon desenvolve capacidades avançadas em defesa aérea e de mísseis, armas inteligentes e outros.
A empresa financia regularmente e colabora com iniciativas de pesquisa acadêmicas e governamentais em busca de materiais de maior eficiência e temperatura para motores a jato de próxima geração. Está explorando ligas refratárias, compósitos de matriz cerâmica (CMCs) e técnicas de manufatura aditiva.
Com capitalização de mercado de US$ 239,5 bilhões, a RTX está atualmente negociando a US$ 178,75, alta de 54,38 % neste ano até agora. Na semana passada, as ações da RTX atingiram um recorde histórico (ATH) de US$ 180,50. Há apenas dois anos, o preço das ações da empresa era negociado abaixo de US$ 100.
RTX Gráfico de preços
Apresenta um EPS (TTM) de 4,87 e um P/E (TTM) de 36,68. O rendimento de dividendos oferecido aos acionistas é de 1,52 %.
Quanto às finanças da empresa, a RTX registrou vendas de US$ 22,5 bilhões no terceiro trimestre de 2025, um aumento de 12 % em relação ao ano anterior.
O segmento Pratt & Whitney registrou lucro operacional de US$ 751 milhões, alta de 35 % e US$ 8,42 bilhões em vendas ajustadas, alta de 16 % em relação ao ano anterior. Esse crescimento nas vendas foi liderado por um aumento de 23 % no mercado pós‑venda comercial, impulsionado por maior volume tanto em grandes motores comerciais quanto na Pratt Canada, um salto de 15 % no militar devido ao programa F135, e um aumento de 5 % no OE comercial como resultado do maior volume de grandes motores comerciais.
Enquanto isso, seu fornecedor de aviônicos e outros sistemas de aeronaves, a Collins Aerospace, viu a receita aumentar 8 % para US$ 7,62 bilhões, com crescimento proveniente de vendas militares, equipamentos originais para novos jatos e companhias aéreas comprando reparos e mais peças. A receita da Raytheon subiu 10 % para US$ 7,05 bilhões, já que a demanda por seus sistemas de defesa aérea e programas navais permaneceu forte.
O EPS GAAP da empresa foi US$ 1,41, e o EPS ajustado foi US$ 1,70. O fluxo de caixa operacional do trimestre foi de US$ 4,6 bilhões, e o fluxo de caixa livre foi de US$ 4 bilhões. Também relatou um backlog de US$ 251 bilhões, que incluía US$ 148 bilhões em comercial e US$ 103 bilhões em defesa.
“Uma execução forte no terceiro trimestre nos permitiu entregar um crescimento orgânico de vendas de dois dígitos em todos os três segmentos e nosso sexto trimestre consecutivo de expansão da margem de segmento ajustada ano a ano,” disse o CEO Chris Calio. “Também recebemos US$ 37 bilhões em novos contratos no trimestre, refletindo uma demanda global robusta por nossos produtos e apoiando o crescimento de longo prazo da RTX.”
A RTX amortizou US$ 2,9 bilhões de dívida no terceiro trimestre e devolveu US$ 900 milhões aos acionistas.
Com base neste desempenho e “força contínua da demanda”, a empresa elevou sua perspectiva para o ano inteiro, destacando seu compromisso de “executar nosso backlog de US$ 251 bilhões e aumentar nossa produção para apoiar o ramp-up em programas críticos, enquanto investe em produtos e serviços de próxima geração que atendam às necessidades de nossos clientes.”
Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Raytheon Technologies (RTX)
Conclusão
Ligas de alta temperatura desempenham um papel vital na ciência dos materiais e na tecnologia energética. O impulso mundial rumo à eficiência e sustentabilidade significa que precisamos de materiais que suportem condições extremas, e essa demanda só aumenta.
Por décadas, as superligas à base de níquel foram a escolha padrão para peças de turbinas e motores a jato. Mas elas estão atingindo seus limites. Por isso, a recente descoberta de uma liga Cr‑Mo‑Si dúctil e resistente à oxidação está gerando entusiasmo. Se os pesquisadores conseguirem desenvolver e ampliar a produção, essas ligas refratárias de próxima geração podem revolucionar a indústria aeroespacial, permitindo que motores a jato operem em temperaturas muito além do que é possível hoje. As aplicações potenciais não param por aí, pois isso pode abrir portas para produção de energia, aquecimento industrial e até propulsão espacial.
É claro que transformar a descoberta de laboratório em realidade comercial nunca é simples. Cientistas precisarão ajustar finamente a composição da liga, resolver desafios de fabricação e desenvolver formas de produzi‑la em grande escala. Mas mesmo com esses obstáculos, essa inovação abre promissoras novas possibilidades para a engenharia de alta temperatura.
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Referências
1. Hinrichs, F., Winkens, G., Kramer, L. K., Falcão, G., Hahn, E. M., Schliephake, D., Eusterholz, M. K., Sen, S., Galetz, M. C., Inui, H., Kauffmann, A., & Heilmaier, M. (2025). Uma liga de cromo‑molibdênio dúctil resistente à oxidação em alta temperatura. Nature, 646, 331–337. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09516-82. Taheri-Mousavi, S. M., Xu, M., Hengsbach, F., Houser, C., Ge, Z., Glaser, B., Wei, S., Schaper, M., LeBeau, J. M., Olson, G. B., & Hart, A. J. (2025). Ligas de alumínio de alta resistência fabricáveis por adição com microestruturas resistentes ao crescimento obtidas via solidificação rápida. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202509507
