No futuro, novas ligas projetadas para aplicações aeroespaciais podem ser fabricadas usando o processo de fusão a laser 3-D (Manufatura Aditiva). O trabalho pioneiro neste campo foi fornecido pelo pesquisador da Empa Christoph Kenel, que trabalha hoje na Northwestern University (Chicago). A Empa concede a ele o Prêmio Pesquisa 2017.

As ligas de titã-alumínio combinam baixa densidade, elevada resistência e resistência à oxidação a temperaturas elevadas e são, portanto, de elevada relevância técnica, e. em engenharia aeroespacial. O objetivo da tese de doutorado de Christoph Kenel foi desenvolver uma nova liga de alumineto de titânio (TiAl), particularmente para uso em tecnologias de manufatura aditiva à base de feixe, e incluir dispersoides de óxido de tamanho nano para melhorar suas propriedades mecânicas de alta temperatura. A pesquisa de Christoph Kenels foi supervisionada por Christian Leinenbach no laboratório de Processamento de Materiais Avançados da Empa.

O assunto é muito desafiador, uma vez que as ligas de TiAl são inerentemente frágeis à temperatura ambiente, e as condições de solidificação rápida durante AM podem levar a sequências de transformação de fase complexas, segregação de elemento pronunciada e rachaduras. Ligas reforçadas com dispersão de óxido (ODS) são uma classe de materiais que oferecem uma combinação incomparável de deformação-, rastejar-, engrossamento- oxidação- e resistência à corrosão em temperaturas de até 1, 000 ° C.

Ligas não viáveis ​​por fundição clássica

Contudo, a fabricação de componentes usando ligas ODS está atualmente sujeita a severas barreiras econômicas e técnicas. A sabedoria convencional é que a metalurgia clássica do pó é o único método disponível para criar ligas ODS a partir de pós aos quais os óxidos foram adicionados por meio de moagem de bolas em um processo de estado sólido puro:se esses pós compostos foram fundidos, seus dispersoides de óxido são perdidos por meio de um ou mais de engrossamento, dissolução, aglomeração no espaço interdendrítico e flutuação na superfície do lingote ("escória"). O processamento de ODS TiAl é, portanto, uma tarefa realmente exigente.

Dr. Kenel decidiu por uma nova abordagem para desenvolver uma liga de TiAl especificamente para o processo de manufatura aditiva (AM). Em geral, os parâmetros de processamento de AM são otimizados para um determinado material por tentativa e erro, mas sabe-se que essa abordagem freqüentemente falha. Considerando os dispersoides de óxido, Kenel e seus colegas levantaram a hipótese de que o AM baseado em laser pode ser usado com sucesso para criar amostras a granel de pós contendo óxido dispersóide, já que o tempo de fusão muito curto e a solidificação muito rápida manteriam os dispersoides de óxido bem dispersos dentro dos grãos da liga.

Em seu trabalho, Dr. Kenel usou métodos computacionais (termodinâmica computacional, métodos de elementos finitos) para simular as transformações de fase em ligas de Ti-Al binárias e ternárias de Ti-Al-Nb e Ti-Al-Mo, respectivamente, durante as condições muito especiais de aquecimento e resfriamento durante a manhã. Ele então desenvolveu novos experimentos sofisticados, incluindo métodos de micro difração de raios-X síncrotron in situ durante o aquecimento a laser, permitindo-lhe estudar sistematicamente a formação de fase e microestrutura em ligas selecionadas sob condições AM bem definidas e simuladas com uma resolução temporal sem precedentes. Isso não foi feito antes.