Uma liga imprimível em 3D projetada para ambientes extremos

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

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As ligas de elementos multiprincipais são uma classe de materiais que permitem devido às suas impressionantes propriedades mecânicas e resistentes 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 manufatura aditiva baseada em laser. Essa 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 com uso intensivo de recursos, como ligas mecânicas ou in situ3,4. Mostramos a incorporação e dispersão bem-sucedida 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, mais de 1.000 vezes melhor desempenho de fluência e melhoria dupla na resistência à oxidação em comparação com as tradicionais ligas policristalinas forjadas à base de Ni usadas extensivamente na manufatura aditiva a 1.093 °C5,6. O sucesso dessa liga destaca como os projetos de liga 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 manufatura aditiva pode acelerar a descoberta de materiais revolucionários.

As ligas de alta entropia, também conhecidas como ligas de elementos multiprincipais (MPEAs), são uma classe de materiais atualmente de interesse da comunidade metalúrgica1,2,7,8,9. Na última década, numerosas investigações científicas descobriram propriedades notáveis ​​exibidas por essas ligas7,10,11,12,13. Uma das famílias MPEA mais investigadas é a liga Cantor CoCrFeMnNi e seus derivados2,8,14. Este grupo de ligas apresentou excelente encruamento, resultando em alta resistência à tração e ductilidade7,15,16,17,18. A superação do compromisso entre resistência e ductilidade é resultado de mecanismos de deformação em escala atômica16, como energias de falha de empilhamento localmente variáveis19 e transformações de fase acionadas magneticamente20. Essa classe de ligas também provou ser robusta, resistindo à fragilização do ambiente de hidrogênio21, exibindo propriedades de irradiação aprimoradas22 e fornecendo resistência superior em temperaturas criogênicas23. Como resultado, essas ligas apresentam grande potencial para inúmeras aplicações aeroespaciais e de energia 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. Essa família de ligas fornece a maior resistência à temperatura ambiente entre as ligas Cantor e seus derivados2,24. Recentemente, esta liga demonstrou fornecer propriedades de tração impressionantes (1.100 MPa de resistência à temperatura ambiente) quando submetida a tratamento térmico de recristalização parcial após laminação a frio17. Essas propriedades também são atribuídas a transformações de fase cúbica de face centrada (FCC) induzidas por deformação para transformações de fase compactadas hexagonais (HCP) e variações de falha de empilhamento local. Ligas e dopagem de NiCoCr com elementos refratários e intersticiais também foram exploradas recentemente. Seol et ai. descobriram que a dopagem da liga de alta entropia, NiCoCrFeMn, com 30 ppm de boro resultou em melhorias significativas na resistência e ductilidade atribuídas ao limite de grão e reforço intersticial do boro25. Estudos recentes também descobriram que a adição de carbono aos MPEAs resultou em maior resistência26,27,28. Por fim, Wu et al.29 descobriram que três percentagens atômicas (at.%) adições de W em NiCoCr criaram uma estrutura de grão mais fino (tamanho médio de grão de 1 μm), resultando em um grande aumento no limite de elasticidade da liga (mais de 1.000 MPa , em comparação com 500 MPa para NiCoCr sem liga), mantendo uma ductilidade excepcional de mais de 50% (ref. 29). Esses resultados sugerem que melhorias significativas nos sistemas FCC MPEA ainda podem ser realizadas por meio de ligas adicionais.