Uma liga imprimível em 3D projetada para ambientes extremos

Nature volume 617, páginas 513–518 (2023)Cite este artigo

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As ligas de elementos multiprincipais são uma classe facilitadora de materiais devido às suas impressionantes propriedades mecânicas e de resistência à oxidação, especialmente em ambientes extremos1,2. Aqui desenvolvemos uma nova liga à base de NiCoCr reforçada com dispersão de óxido usando uma abordagem de design de liga baseada em modelo e fabricação aditiva baseada em laser. Esta liga reforçada com dispersão de óxido, chamada GRX-810, usa fusão de leito de pó a laser para dispersar partículas de Y2O3 em nanoescala por toda a microestrutura sem o uso de etapas de processamento que consomem muitos recursos, como liga mecânica ou in situ . Mostramos a incorporação e dispersão bem-sucedidas de óxidos em nanoescala em todo o volume de construção do GRX-810 por meio da caracterização de alta resolução de sua microestrutura. Os resultados mecânicos do GRX-810 mostram uma melhoria dupla na resistência, um desempenho de fluência mais de 1.000 vezes melhor e uma melhoria dupla na resistência à oxidação em comparação com as tradicionais ligas policristalinas à base de Ni forjadas usadas extensivamente na fabricação aditiva a 1.093 °C5,6. O sucesso desta liga destaca como os projetos de ligas baseados em modelos podem fornecer composições superiores usando muito menos recursos em comparação com os métodos de “tentativa e erro” do passado. Esses resultados mostram como o desenvolvimento futuro de ligas que aproveita o fortalecimento da dispersão combinado com o processamento de fabricação aditiva pode acelerar a descoberta de materiais revolucionários.

Ligas de alta entropia, também comumente chamadas de ligas de elementos multiprincipais (MPEAs), são uma classe de materiais que atualmente são de interesse da comunidade metalúrgica . Na última década, numerosas investigações científicas descobriram propriedades notáveis ​​exibidas por estas ligas7,10,11,12,13. Uma das famílias MPEA mais investigadas é a liga Cantor CoCrFeMnNi e seus derivados . Este grupo de ligas apresentou excelente endurecimento por deformação, resultando em alta resistência à tração e ductilidade7,15,16,17,18. A superação do equilíbrio entre resistência e ductilidade é resultado de mecanismos de deformação em escala atômica , como energias de falha de empilhamento localmente variáveis ​​​​19 e transformações de fase acionadas magneticamente . Esta classe de ligas também provou ser robusta, resistindo à fragilização do ambiente de hidrogênio21, exibindo propriedades de irradiação melhoradas22 e proporcionando resistência superior em temperaturas criogênicas23. Como resultado, essas ligas apresentam grande potencial para inúmeras aplicações aeroespaciais e energéticas em ambientes corrosivos e de temperatura elevada, permitindo redução de peso e operação de maior desempenho.

Um derivado da liga Cantor de interesse especial é a liga de média entropia NiCoCr. Esta família de ligas proporciona a maior resistência à temperatura ambiente entre a liga Cantor e seus derivados2,24. Recentemente, esta liga demonstrou fornecer propriedades de tração impressionantes (resistência ao escoamento em temperatura ambiente de 1.100 MPa) quando submetida a tratamento térmico de recristalização parcial após laminação a frio . Essas propriedades também são atribuídas a transformações de fase cúbica centrada na face (FCC) induzidas por deformação para transformações de fase hexagonais compactas (HCP) e variações locais de falha de empilhamento. A liga e dopagem de NiCoCr com elementos refratários e intersticiais também foram exploradas recentemente. Seol et al. descobriram que a dopagem da liga de alta entropia, NiCoCrFeMn, com 30 ppm de boro resultou em melhorias significativas na resistência e ductilidade atribuídas tanto ao limite de grão quanto ao fortalecimento intersticial do boro . Estudos recentes também descobriram que a adição de carbono aos MPEAs resultou numa melhoria da resistência26,27,28. Por último, Wu et al.29 descobriram que três adições de percentagem atómica (at.%) de W em NiCoCr criaram uma estrutura de grão mais fina (tamanho médio de grão 1 μm), resultando num grande aumento na resistência ao escoamento da liga (mais de 1.000 MPa , em comparação com 500 MPa para NiCoCr não ligado), mantendo ao mesmo tempo uma ductilidade excepcional de mais de 50% (ref. 29). Estes resultados sugerem que melhorias significativas nos sistemas MPEA da FCC ainda podem ser realizadas através de ligas adicionais.