Ciência dos materiais
Nova Liga Cr-Mo-Si Pode Reescrever os Limites de Calor de Motores a Jato
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 altos em torno de 2.000 graus Celsius ou mais e resistência excepcional ao calor, desgaste e deformação, são ideais para tais aplicações.
No entanto, embora esses metais apresentem estabilidade térmica impressionante, eles se tornam muito frágeis à temperatura ambiente. Esses metais também oxidam rapidamente quando expostos ao oxigênio, levando à falha do material entre 600 e 700 graus Celsius.
As a result, these materials can only be used effectively under complex vacuum conditions, such as in X-ray rotating anodes. To overcome these limitations, engineers have long relied on nickel-based superalloys to build components that must withstand high heat.
Superligas à Base de Níquel: Forças, Limites e Por Que Estão Chegando ao Limite
Uma superliga é uma liga de alto desempenho conhecida por suas propriedades mecânicas excepcionais e resistência a calor extremo e alta tensão. Elas também apresentam boa estabilidade de superfície e de fase, e alta resistência à oxidação e corrosão.
Essas ligas foram inicialmente desenvolvidas para motores de turbina de aeronaves, apenas para se expandirem para muitas outras aplicações exigentes ao longo do tempo, incluindo turbinas a gás, motores de foguete, geração de energia, processamento químico e plantas de petróleo.
Elas 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. Na verdade, ele desempenha um papel importante na densidade de energia e desempenho de baterias, permitindo capacidades de maior alcance 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, assim melhorando a eficiência operacional e a segurança.
As superligas à base de níquel são, na verdade, as mais amplamente usadas para as 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 apresentam 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 melhorar suas propriedades.
As superligas à base de níquel têm suas próprias limitações, porém, 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 poderem experimentar propriedades mecânicas degradadas devido à formação de precipitados indesejáveis.
“As superligas existentes são feitas de muitos elementos metálicos diferentes, incluindo alguns raramente disponíveis, 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 o problema são suas temperaturas de operação, que são “as temperaturas nas quais podem ser usadas com segurança,” e elas 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 com resfriamento/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/resfriamento | Crescimento de camada lento; pestamento suprimido | Prolonga a vida em regimes críticos |
| 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 movidos a eletricidade, Heilmaier observou, “raramente 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 (TA).
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 há capacidades de simulação preditiva precisas para qualquer uma das duas propriedades. Isso ocorre apesar do progresso significativo feito no desenvolvimento assistido por computador de materiais. Como resultado, cientistas e engenheiros devem depender de observações.
Publicado na Nature, o estudo mais recente intitulado ‘Uma liga de cromo-molibdênio dúctil resistente à oxidação em alta temperatura’ introduziu 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 de temperatura crítica”, disse o Dr. Alexander Kauffmann, professor da Ruhr University Bochum, que desempenhou um papel importante nesta descoberta.
O uso de Cr e Mo aqui resolve os problemas dos elementos metálicos refratários, mostrando problemas de oxidação, que limitam 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 menor 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 que seja 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, avanços semelhantes estão surgindo ao redor do mundo.
No início deste ano, uma equipe do Ames National Laboratory descobriu uma nova liga para potencialmente substituir superligas à base de níquel e cobalto, cujos limites de tolerância ao calor limitam 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.
Então, os pesquisadores decidiram combinar metais refratários em ligas de múltiplos elementos principais, que não são baseadas 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, misturar mais de três elementos juntos significa “milhões de combinações a serem pesquisadas”, o que é um processo que consome tempo. Mas graças à IA, eles puderam economizar tempo e dinheiro e “acertar” na primeira tentativa
Então, para encontrar os materiais e sua composição, os pesquisadores utilizaram uma estrutura computacional, que foi 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 certa para novas ligas com as propriedades específicas que desejam ter nesses materiais.”
– Johnson
Esta nova liga apresenta mais resistência à deformação em temperaturas mais altas e as propriedades de ductilidade necessárias para ser fabricada usando métodos comercialmente estabelecidos.
A abordagem da equipe do Ames destaca como o design pode acelerar descobertas que antes levavam anos de tentativa e erro. Baseando-se nessa colaboração entre computação e experimentação, pesquisadores do MIT combinaram aprendizado de máquina (ML) com impressão 3D de metal2 projetaram uma liga à base de Al cujas peças impressas correspondem à resistência da 7075 forjada — e, após envelhecimento a 400 °C, são ~50 % mais fortes que o benchmark de Al imprimível mais resistente.
Para criar este novo metal, a equipe misturou alumínio com outros elementos identificados por meio de simulações e ML.
Os pesquisadores esperam que seu novo metal imprimível seja transformado em produtos mais fortes, mais leves, e resistentes à temperatura, como pás de ventilador em motores a jato, que são feitas com titânio mais caro e mais 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, que agora é 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 alta qualidade. Seu trabalho enfatiza como a manufatura aditiva e o design de ligas impulsionado por IA estão se encontrando para criar materiais mais leves, mais fortes e mais eficientes termicamente, propriedades essenciais para a futura propulsão a jato e sistemas de energia.
Em outra parte do mundo, o fabricante turco de motores aeroespaciais TEI relatou o desenvolvimento de mais de 20 superligas e ligas de titânio únicas 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 em calor tão extremo. Isso torna “sistemas de refrigeração, revestimentos especiais e tecnologias de materiais críticos”, ele acrescentou.
Um impulso semelhante está se desenvolvendo na China, onde os pesquisadores atualmente estão trabalhando em uma nova técnica de resfriamento de superliga técnica para melhorar o desempenho e a durabilidade de componentes de turbina de motor de alta temperatura, que podem 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 do motor, melhor eficiência energética, e vida útil mais longa.
“Este método incorpora uma estrutura composta de cobre-magnésio-aço dentro da pá usando técnicas de processamento termomecânico,” afirma a patente da tecnologia. “Isso permite que a pá mantenha funcionalidade de longo prazo sob condições extremas de alta temperatura.”
O uso da condutividade térmica do cobre e da resistência ao calor do aço torna o composto adequado para aplicações futuras em aeronaves e câmaras de combustão de motores de foguete. Assim, é assim que cientistas ao redor do mundo estão trabalhando para melhorar vários 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.
Ela tem dois outros segmentos: 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 acadêmica e governamental em busca de materiais de maior eficiência e temperatura mais alta para motores a jato de próxima geração. Está explorando ligas refratárias, compósitos de matriz cerâmica (CMCs), e técnicas de manufatura aditiva.
Com uma 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 estava abaixo de US$ 100.
(RTX )
