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Ligas metálicas complexas entram em uma nova era de design preditivo para aplicações aeroespaciais e outras aplicações de alta temperatura.
Os cozinheiros adoram o aço inoxidável por sua durabilidade, resistência à ferrugem e até mesmo por cozinhar quando aquecido. Mas poucos conhecem o segredo que torna o aço inoxidável tão popular. É o cromo metálico do aço inoxidável, que reage com o oxigênio do ar para formar uma camada fina estável e protetora para proteger o aço por baixo.
Hoje em dia, cientistas e engenheiros estão trabalhando para projetar ligas que possam resistir a ambientes extremos para aplicações como reatores de fusão nuclear, voos hipersônicos e motores a jato de alta temperatura. Para essas aplicações extremas, os cientistas estão experimentando combinações complexas de muitos metais misturados em proporções iguais nas chamadas ligas de elementos multiprincipais ou ligas de média a alta entropia. Essas ligas visam atingir objetivos de projeto como resistência, tenacidade, resistência à corrosão e assim por diante. Especificamente, os pesquisadores buscam ligas resistentes à corrosão que pode ocorrer quando os metais reagem com o oxigênio da atmosfera, um processo denominado oxidação. Essas ligas são normalmente testadas em um procedimento de “cozinhar e observar”, onde os materiais da liga são expostos a ambientes de oxidação de alta temperatura para ver como eles respondem.
Mas agora, uma equipe de pesquisa multidisciplinar liderada por cientistas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia e da Universidade Estadual da Carolina do Norte combinou experimentos em escala atômica com a teoria para criar uma ferramenta para prever como essas ligas de alta entropia se comportarão sob condições oxidativas de alta temperatura. ambientes. A pesquisa, publicada na revista Nature Communications, oferece um roteiro para projetos rápidos e ciclos de testes para ligas metálicas complexas resistentes à oxidação.
“Estamos trabalhando para desenvolver um modelo em escala atômica para a degradação de materiais dessas ligas complexas, que pode então ser aplicado para projetar ligas de próxima geração com resistência superior a ambientes extremos para uma ampla variedade de aplicações, como as indústrias aeroespacial e de energia nuclear. “, disse Arun Devaraj, co-investigador principal do estudo e cientista de materiais do PNNL especializado na compreensão da degradação de metais em ambientes extremos. “O objetivo aqui é encontrar maneiras de identificar rapidamente ligas de média a alta entropia com as propriedades desejadas e resistência à oxidação para a aplicação escolhida.”
Uma receita complexa de liga
Em seus experimentos recentes, a equipe de pesquisa estudou a degradação de uma liga de alta entropia com quantidades iguais dos metais cobalto, cromo, ferro, níquel e manganês (CoCrFeNiMn, também chamada de liga Cantor). A equipe de pesquisa examinou o óxido formado na liga Cantor usando uma variedade de métodos avançados em escala atômica para entender como cada elemento se organiza na liga e no óxido.
Eles descobriram que o cromo e o manganês tendem a migrar rapidamente para a superfície e formar óxidos estáveis de cromo e manganês. Posteriormente, o ferro e o cobalto se difundem através desses óxidos para formar camadas adicionais.
Ao adicionar uma pequena quantidade de alumínio, eles descobriram que o óxido de alumínio pode atuar como uma barreira para outros elementos que migram para formar o óxido, reduzindo assim a oxidação geral da liga Cantor contendo alumínio e aumentando sua resistência à degradação em altas temperaturas.
“Este trabalho lança luz sobre os mecanismos de oxidação em ligas complexas em escala atômica”, disse Bharat Gwalani, co-autor correspondente do estudo. Gwalani começou o estudo quando era cientista no PNNL e continuou a pesquisa em sua função atual como professor assistente de ciência e engenharia de materiais na Universidade Estadual da Carolina do Norte. Ele acrescentou, “ao compreender os mecanismos fundamentais envolvidos, este trabalho nos dá uma compreensão mais profunda da oxidação em todas as ligas complexas”.
Modelos preditivos
“No momento, não existem modelos de governo universalmente aplicáveis para extrapolar como uma determinada liga de elemento complexo e multiprincipal irá oxidar e degradar ao longo do tempo em um ambiente de oxidação de alta temperatura”, disse Devaraj. “Este é um passo substancial nessa direção.”
A análise cuidadosa da equipe revelou algumas regras universais que podem prever como o processo de oxidação ocorrerá nessas ligas complexas. Colegas computacionais da NCSU desenvolveram um modelo chamado Parâmetro de Interatividade Preferencial para previsão precoce do comportamento de oxidação em ligas metálicas complexas.
Em última análise, a equipe de pesquisa espera expandir esta pesquisa para desenvolver ligas complexas com propriedades excepcionais de alta temperatura, e fazê-lo muito rapidamente por meio de amostragem e análise rápidas. O objetivo final é escolher uma combinação de elementos que favoreça a formação de um óxido aderente, disse Devaraj. “Você sabe que a formação de óxido acontecerá, mas deseja ter um óxido muito estável que seja protetor, que não mude com o tempo e que resista ao calor extremo dentro de um motor de foguete ou de reatores nucleares.”
O próximo passo será introduzir a experimentação automatizada e integrar métodos de fabricação aditiva, juntamente com inteligência artificial avançada, para avaliar rapidamente novas ligas promissoras. Esse projeto está agora em andamento no PNNL como parte do Adaptive Tunability for Synthesis and Control por meio da Iniciativa Autonomous Learning on Edge (AT SCALE).
“Esse tipo de ciclo de descoberta de materiais será muito relevante para expandir ainda mais nosso conhecimento dessas novas ligas”, disse Devaraj, que também tem um cargo conjunto no corpo docente da Escola de Minas do Colorado.
Além de Gwalani e Devaraj, os cientistas do PNNL Sten Lambeets, Matthew Olszta, Anil Krishna Battu e Thevuthasan Suntharampilai contribuíram; bem como Martin Thuo, Aram Amassian, Andrew Martin, Aniruddha Malakar e Boyu Guo da NCSU; Elizabeth Kautz, professora assistente de engenharia nuclear no estado da Carolina do Norte, que também tem um compromisso conjunto com o PNNL; Feipeng Yang e Jinghua Guo do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; e Ruipeng Li do Laboratório Nacional de Brookhaven.
Para investigar o arranjo dos átomos nas amostras, a equipe de pesquisa utilizou a tomografia por sonda atômica in situ no PNNL. Esses resultados foram correlacionados com microscopia eletrônica e dispersão de raios X de grande ângulo de incidência pastosa baseada em síncrotron na Fonte Nacional de Luz Síncrotron II, BNL, e medições de absorção de raios X realizadas na Fonte de Luz Avançada, LBNL, instalações de usuários nacionais financiadas por o Escritório de Ciência do DOE. A pesquisa também foi apoiada em parte pelo Departamento de Ciência, Ciências Básicas de Energia, Ciências de Materiais e Divisão de Engenharia do DOE como parte do Programa de Pesquisa em Início de Carreira.
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