Nova liga metálica resiste a condições extremas
Uma oportunidade para um salto tecnológico
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Um novo material poderá contribuir para a redução dos combustíveis fósseis consumidos pelos motores de aviões e turbinas de gás no futuro. Uma equipa de investigação do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) desenvolveu uma liga metálica refractária com propriedades sem paralelo até à data. A nova combinação de crómio, molibdénio e silício é dúctil à temperatura ambiente. Com uma temperatura de fusão de cerca de 2.000 graus Celsius, mantém-se estável mesmo a altas temperaturas e é, ao mesmo tempo, resistente à oxidação. Os resultados foram publicados na revista "Nature".
Os materiais metálicos resistentes a altas temperaturas são necessários para motores de aviões, turbinas a gás, unidades de raios X e muitas outras aplicações técnicas. Os metais refractários, como o tungsténio, o molibdénio e o crómio, cujos pontos de fusão são iguais ou superiores a 2.000 graus Celsius, podem ser os mais resistentes a altas temperaturas. A sua aplicação prática tem, no entanto, limitações: São frágeis à temperatura ambiente e, em contacto com o oxigénio, começam a oxidar, causando falhas num curto espaço de tempo, já a temperaturas de 600 a 700 graus Celsius. Por conseguinte, só podem ser utilizados em condições de vácuo tecnicamente complexas - por exemplo, como ânodos rotativos de raios X.
Devido a estes desafios, as superligas à base de níquel têm sido utilizadas há décadas em componentes que são expostos ao ar ou a gases de combustão a altas temperaturas. São utilizadas, por exemplo, como materiais padrão para turbinas a gás. "As superligas existentes são feitas de muitos elementos metálicos diferentes, incluindo elementos raramente disponíveis, de modo a combinarem várias propriedades. São dúcteis à temperatura ambiente, estáveis a altas temperaturas e resistentes à oxidação", explica o Professor Martin Heilmaier do Instituto de Materiais Aplicados - Ciência e Engenharia de Materiais do KIT. "No entanto - e aí está o busílis - as temperaturas de funcionamento, ou seja, as temperaturas em que podem ser utilizadas com segurança, situam-se no intervalo até 1.100 graus Celsius, no máximo. Isto é demasiado baixo para explorar todo o potencial de maior eficiência em turbinas ou outras aplicações de alta temperatura. O facto é que a eficiência dos processos de combustão aumenta com a temperatura".
Uma oportunidade para um salto tecnológico
Esta limitação existente com os materiais atualmente disponíveis foi o ponto de partida para o grupo de trabalho de Heilmaier. No âmbito do grupo de formação em investigação "Materials Compounds from Composite Materials for Applications in Extreme Conditions" (MatCom-ComMat), financiado pela Fundação Alemã de Investigação (DFG), os investigadores conseguiram desenvolver uma nova liga de crómio, molibdénio e silício. Esta liga à base de metais refractários, em cuja descoberta o Dr. Alexander Kauffmann, atualmente professor na Universidade Ruhr de Bochum, desempenhou um papel importante, apresenta propriedades até agora inéditas. "É dúctil à temperatura ambiente, o seu ponto de fusão atinge cerca de 2.000 graus Celsius e - ao contrário das ligas refractárias conhecidas até à data - oxida apenas lentamente, mesmo na gama de temperaturas críticas. Isto alimenta a visão de poder fabricar componentes adequados para temperaturas de funcionamento substancialmente superiores a 1.100 graus Celsius. Assim, o resultado da nossa investigação tem o potencial de permitir um verdadeiro salto tecnológico", diz Kauffmann. Este facto é particularmente notável, uma vez que a resistência à oxidação e a ductilidade ainda não podem ser previstas de forma suficiente para permitir uma conceção orientada do material - apesar dos grandes progressos alcançados no desenvolvimento de materiais assistido por computador.
Mais eficiência, menos consumo
"Numa turbina, mesmo um aumento de temperatura de apenas 100 graus Celsius pode reduzir o consumo de combustível em cerca de cinco por cento", explica Heilmaier. Isto é particularmente relevante para a aviação, uma vez que os aviões movidos a eletricidade dificilmente serão adequados para voos de longo curso nas próximas décadas. Assim, uma redução significativa do consumo de combustível será uma questão vital. As turbinas de gás estacionárias em centrais eléctricas também podem funcionar com menos emissões de CO₂ graças a materiais mais robustos. Para que a liga possa ser utilizada a nível industrial, são necessárias muitas outras etapas de desenvolvimento", diz Heilmaier. "No entanto, com a nossa descoberta na investigação fundamental, alcançámos um marco importante. Os grupos de investigação de todo o mundo podem agora aproveitar esta conquista."
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Publicação original
Frauke Hinrichs, Georg Winkens, Lena Katharina Kramer, Gabriely Falcão, Ewa M. Hahn, Daniel Schliephake, Michael Konrad Eusterholz, Sandipan Sen, Mathias Christian Galetz, Haruyuki Inui, Alexander Kauffmann, Martin Heilmaier; "A ductile chromium–molybdenum alloy resistant to high-temperature oxidation"; Nature, Volume 646, 2025-10-8
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