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Enquanto o mundo procura maneiras de reduzir as emissões de gases de efeito estufa, pesquisadores do Sandia National Laboratories mostraram que uma nova superliga impressa em 3D pode ajudar as usinas a gerar mais eletricidade e produzir menos carbono.
Os cientistas da Sandia, em colaboração com pesquisadores do Ames National Laboratory, da Iowa State University e da Bruker Corp., usaram uma impressora 3D para criar uma liga de metal de alto desempenho, ou superliga, com uma composição incomum que a torna mais forte e mais leve do que as de estado atual. materiais de última geração atualmente usados em máquinas de turbinas a gás. As descobertas podem ter amplos impactos no setor de energia, bem como nas indústrias aeroespacial e automotiva, e sugerem uma nova classe de ligas similares esperando para serem descobertas.
“Estamos mostrando que este material pode acessar combinações anteriormente inatingíveis de alta resistência, baixo peso e resiliência em alta temperatura”, disse Andrew Kustas, cientista da Sandia. “Achamos que parte do motivo pelo qual alcançamos isso é por causa da abordagem de manufatura aditiva.”
A equipe publicou suas descobertas na revista Materiais Aplicados Hoje.
O material resiste a altas temperaturas, essencial para turbinas de usinas elétricas
Cerca de 80% da eletricidade nos EUA vem de combustíveis fósseis ou usinas nucleares, de acordo com a US Energy Information Administration. Ambos os tipos de instalações dependem do calor para girar as turbinas que geram eletricidade. A eficiência da usina de energia é limitada pela forma como as peças de turbina de metal quente podem ficar. Se as turbinas puderem operar em temperaturas mais altas, “então mais energia pode ser convertida em eletricidade, reduzindo a quantidade de calor residual liberado para o meio ambiente”, disse Sal Rodriguez, engenheiro nuclear da Sandia que não participou da pesquisa.
Os experimentos de Sandia mostraram que a nova superliga – 42% de alumínio, 25% de titânio, 13% de nióbio, 8% de zircônio, 8% de molibdênio e 4% de tântalo – era mais forte a 800 graus Celsius (1.472 graus Fahrenheit) do que muitas outras de alta ligas de alto desempenho, incluindo as usadas atualmente em peças de turbinas, e ainda mais forte quando foi trazida de volta à temperatura ambiente.
“Portanto, este é um ganho para uma energia mais econômica e para o meio ambiente”, disse Rodriguez.
A energia não é a única indústria que poderia se beneficiar das descobertas. Pesquisadores aeroespaciais buscam materiais leves que permaneçam fortes em altas temperaturas. Além disso, o cientista do Ames Lab, Nic Argibay, disse que Ames e Sandia estão fazendo parceria com a indústria para explorar como ligas como essa podem ser usadas na indústria automotiva.
“A teoria da estrutura eletrônica liderada pelo Ames Lab foi capaz de fornecer uma compreensão das origens atômicas dessas propriedades úteis, e agora estamos no processo de otimização dessa nova classe de ligas para enfrentar os desafios de fabricação e escalabilidade”, disse Argibay.
O Departamento de Energia e o programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Sandia financiaram a pesquisa.
Descoberta destaca mudanças na ciência dos materiais
A manufatura aditiva, também chamada de impressão 3D, é conhecida como um método de fabricação versátil e energeticamente eficiente. Uma técnica de impressão comum usa um laser de alta potência para derreter um material, geralmente um plástico ou metal. A impressora então deposita esse material em camadas, construindo um objeto à medida que o material fundido esfria e solidifica rapidamente.
Mas esta nova pesquisa demonstra como a tecnologia também pode ser reaproveitada como uma maneira rápida e eficiente de criar novos materiais. Os membros da equipe Sandia usaram uma impressora 3D para fundir rapidamente metais em pó e imediatamente imprimir uma amostra deles.
A criação de Sandia também representa uma mudança fundamental no desenvolvimento de ligas porque nenhum metal isolado compõe mais da metade do material. Em comparação, o aço é cerca de 98% de ferro combinado com carbono, entre outros elementos.
“O ferro e uma pitada de carbono mudaram o mundo”, disse Kustas. “Temos muitos exemplos de onde combinamos dois ou três elementos para fazer uma liga de engenharia útil. Agora, estamos começando a entrar em quatro ou cinco ou mais em um único material. E é aí que realmente começa a ficar interessante e desafiador da ciência dos materiais e perspectivas metalúrgicas.”
Escalabilidade e custo são desafios a serem superados
No futuro, a equipe está interessada em explorar se as técnicas avançadas de modelagem por computador podem ajudar os pesquisadores a descobrir mais membros do que poderia ser uma nova classe de superligas avançadas de fabricação aditiva de alto desempenho.
“São misturas extremamente complexas”, disse o cientista do Sandia Michael Chandross, especialista em modelagem computacional em escala atômica que não esteve diretamente envolvido no estudo. “Todos esses metais interagem no nível microscópico – até mesmo no nível atômico, e são essas interações que realmente determinam o quão forte é um metal, quão maleável é, qual será seu ponto de fusão e assim por diante. Nosso modelo leva muito tempo das suposições da metalurgia porque pode calcular tudo isso e nos permitir prever o desempenho de um novo material antes de fabricá-lo.”
Kustas disse que há desafios pela frente. Por um lado, pode ser difícil produzir a nova superliga em grandes volumes sem rachaduras microscópicas, o que é um desafio geral na manufatura aditiva. Ele também disse que os materiais que entram na liga são caros. Assim, a liga pode não ser apropriada em bens de consumo para os quais manter o custo baixo é uma preocupação primordial.
“Com todas essas ressalvas, se isso for escalável e pudermos fazer uma grande parte disso, é uma virada de jogo”, disse Kustas.
O Sandia National Laboratories é um laboratório multimissão operado pela National Technology and Engineering Solutions da Sandia LLC, uma subsidiária integral da Honeywell International Inc., para a Administração Nacional de Segurança Nuclear do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Sandia Labs tem grandes responsabilidades de pesquisa e desenvolvimento em dissuasão nuclear, segurança global, defesa, tecnologias de energia e competitividade econômica, com instalações principais em Albuquerque, Novo México e Livermore, Califórnia.
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