p Ligas intermetálicas têm potencialmente alta resistência em um ambiente de alta temperatura. Mas eles geralmente sofrem de baixa ductilidade em temperaturas ambientes e baixas, portanto, limitando suas aplicações no setor aeroespacial e em outros campos da engenharia. Ainda, uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) descobriu recentemente as camadas em nanoescala desordenadas nos limites dos grãos nas ligas intermetálicas ordenadas. As nanocamadas podem não apenas resolver o conflito irreconciliável entre resistência e ductilidade de forma eficaz, mas também mantém a resistência da liga com excelente estabilidade térmica em altas temperaturas. Projetar nanocamadas semelhantes pode abrir um caminho para o projeto de novos materiais estruturais com propriedades de liga ideais. p Esta pesquisa foi liderada pelo Professor Liu Chain-tsuan, Professor ilustre da Universidade da CityU e membro sênior do Instituto de Estudos Avançados de Hong Kong (HKIAS). As descobertas acabam de ser publicadas na prestigiosa revista científica Ciência , intitulado "Ligas super-rede dúctil e de ultra-alta resistência com interfaces desordenadas em nanoescala".

p Assim como metais, a estrutura interna das ligas intermetálicas é feita de áreas cristalinas individuais conhecidas como "grãos". A fragilidade usual em ligas intermetálicas é geralmente atribuída à rachadura ao longo de seus limites de grão durante a deformação por tração. Adicionar o elemento boro às ligas intermetálicas tem sido uma das abordagens tradicionais para superar a fragilidade. O professor Liu foi, na verdade, um dos que estudou essa abordagem há 30 anos. Naquela hora, ele descobriu que a adição de boro às ligas intermetálicas binárias (constituindo dois elementos, como Ni ₃ Al) aumenta a coesão do limite de grão, melhorando assim sua ductilidade geral.

p Um resultado experimental surpreendente

p Nos últimos anos, O professor Liu alcançou muitos grandes avanços no desenvolvimento de ligas intermetálicas a granel (a liga intermetálica também é chamada de liga de superrede, construído com longo alcance, estrutura ordenada compactada atomicamente). Esses materiais com boa resistência são altamente atraentes para aplicações estruturais de alta temperatura, mas geralmente sofrem de fragilidade grave em temperatura ambiente, bem como engrossamento rápido do grão (isto é, crescimento no tamanho do grão) e amolecimento a altas temperaturas. Então, desta vez, O professor Liu e sua equipe desenvolveram a nova estratégia de "desordem em nanoescala interfacial" em ligas intermetálicas de múltiplos elementos, que permite a alta resistência, grande ductilidade à temperatura ambiente e também excelente estabilidade térmica a temperaturas elevadas.

p "O que originalmente tentamos fazer é aumentar a coesão dos limites do grão por meio da otimização da quantidade de boro, "disse o Dr. Yang Tao, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) e IAS da CityU, que também é um dos co-autores do artigo. "Nós esperávamos isso, conforme aumentamos a quantidade de boro, a liga reteria resistência ultra-alta devido aos seus constituintes multi-elementos. "

p De acordo com a sabedoria convencional, adicionar traços (0,1 a 0,5 por cento atômico (at.%)) de boro melhora substancialmente sua ductilidade à tração, aumentando a coesão de contorno de grão. Quando quantidades excessivas de boro foram adicionadas, esta abordagem tradicional não funcionaria. "Mas quando adicionamos quantidades excessivas de boro às ligas intermetálicas multicomponentes atuais, obtivemos resultados completamente diferentes. A certa altura, me perguntei se algo deu errado durante os experimentos, "Dr. Yang lembrou.

p Para a surpresa da equipe, ao aumentar o boro para tão alto quanto 1,5 a 2,5 at. %, essas ligas dopadas com boro tornaram-se muito fortes, mas muito dúcteis. Os resultados da experiência revelaram que as ligas intermetálicas com 2 at. % de boro tem um limite de escoamento ultra-alto de 1,6 gigapascals com ductilidade à tração de 25% em temperatura ambiente.

p Ao estudar através de diferentes microscopias eletrônicas de transmissão, a equipe descobriu que quando a concentração de boro variava de 1,5 a 2,5 at. %, uma nanocamada distinta foi formada entre os grãos ordenados adjacentes. Cada um dos grãos foi encapsulado dentro desta nanocamada ultrafina de cerca de 5 nm de espessura. E a própria nanocamada tem uma estrutura atômica desordenada. "Este fenômeno especial nunca foi descoberto e relatado antes, "disse o professor Liu.

p Seus testes de tração mostraram que a nanocamada serve como uma zona tampão entre os grãos adjacentes, que permite a deformação plástica nos limites dos grãos, resultando na grande ductilidade à tração em um nível de resistência ao escoamento ultra-alto.

p Por que a nanocamada desordenada é formada?

p A equipe descobriu que o aumento adicional do boro aumentou substancialmente a "co-segregação de múltiplos elementos" - a partição de vários elementos ao longo dos limites dos grãos. Com a tomografia de sonda atômica tridimensional avançada (APT 3-D) na CityU, o único de seu tipo em Hong Kong e no sul da China, eles observaram uma alta concentração de boro, átomos de ferro e cobalto nas nanocamadas. Em contraste, o níquel, alumínio e titânio foram em grande parte esgotados lá. Este particionamento elementar único, como resultado, induziu a desordem em nanoescala dentro da nanocamada que suprime efetivamente as fraturas ao longo dos limites de grão e aumenta a ductilidade.

p Além disso, ao avaliar a resposta térmica da liga, a equipe descobriu que o aumento no tamanho do grão era insignificante, mesmo após 120 horas de recozimento em uma alta temperatura de 1050 ° C. Isso surpreendeu a equipe novamente porque a maioria dos materiais estruturais geralmente mostram o rápido crescimento do tamanho do grão em altas temperaturas, resultando em diminuição de força rapidamente.

p Um novo caminho para o desenvolvimento de materiais estruturais para usos em alta temperatura

p Eles acreditavam que a nanocamada é fundamental para suprimir o crescimento no tamanho do grão e manter sua resistência em alta temperatura. E a estabilidade térmica da nanocamada desordenada tornará este tipo de liga adequado para aplicações estruturais de alta temperatura.

p "A descoberta desta nanocamada desordenada na liga terá um impacto no desenvolvimento de materiais de alta resistência no futuro. Em particular, esta abordagem pode ser aplicada a materiais estruturais para aplicações em configurações de alta temperatura, como aeroespacial, automotivo, poder nuclear, e engenharia química, "disse o professor Liu.