Interfacial Reactions of CaZrO3 -Y2O3 Composite Ceramic Shells for Titanium Alloy Investment Casting

Imagine tentar despejar metal fundido em um molde, mas o próprio molde começar a derreter ou reagir quimicamente com o metal líquido. Este é um combate constante ao fundir titânio, um metal valorizado por sua resistência e leveza, mas notoriamente agressivo quimicamente em altas temperaturas. Quando o titânio fundido toca uma casca cerâmica, ele frequentemente rouba oxigênio e outros elementos da cerâmica, criando uma camada superficial arruinada na peça final. Essa contaminação torna o metal quebradiço e inutilizável para aplicações críticas, como motores de aeronaves ou implantes médicos. Por décadas, cientistas buscaram um material cerâmico que pudesse suportar esse calor sem se decompor ou reagir, esperando encontrar uma barreira perfeita que mantivesse o metal puro.

Pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Fundição de Shenyang Co., Ltd. enfrentaram esse problema misturando dois materiais cerâmicos diferentes para criar um escudo mais forte. Eles começaram com o zirconato de cálcio, uma cerâmica conhecida por sua estabilidade, mas que ainda reage demais com o titânio. Para corrigir isso, adicionaram quantidades variáveis de ítria, um óxido de terras raras que é excelente em resistir ao calor, mas difícil e caro de usar isoladamente. Ao misturar esses dois materiais, a equipe visou criar uma casca composta que oferecesse o melhor dos dois mundos: o baixo custo e a disponibilidade do zirconato de cálcio com a resistência térmica superior da ítria. O objetivo deles era simples, porém vital: ver se adicionar mais do material resistente ao calor poderia interromper o ataque químico ao titânio fundido e produzir uma fundição mais limpa e forte.

A equipe preparou quatro tipos diferentes de cascas cerâmicas, cada uma contendo uma porcentagem diferente de ítria misturada ao zirconato de cálcio. Elas variavam de uma casca com apenas vinte por cento de ítria até uma com oitenta por cento. Usando um aglutinante líquido especial para manter o pó unido, eles construíram camadas deste composto para formar os moldes. Depois que as cascas foram secas e cozidas em um forno, foram usadas para fundir uma liga de titânio específica conhecida como ZTA15. O processo envolveu o despejo do metal fundido nas cascas cerâmicas pré-aquecidas e a espera pelo resfriamento. Após o metal solidificar, os pesquisadores quebraram as cascas para examinar a superfície das fundições, observando de perto o quanto a cerâmica havia reagido com o metal.

O que encontraram foi uma relação clara e direta entre a quantidade de ítria adicionada e a qualidade do produto final. Na casca com a menor quantidade de ítria, a reação entre a cerâmica e o metal foi severa. Uma camada espessa de metal danificado formou-se na superfície, medindo quase setenta e um micrômetros de espessura. Esta zona de danos, onde a estrutura interna do metal foi alterada pela reação química, estendeu-se profundamente na fundição, atingindo uma profundidade de duzentos e vinte e nove micrômetros. À medida que os pesquisadores aumentavam a quantidade de ítria na mistura, essa zona de danos encolhia dramaticamente. Na casca com a maior concentração de ítria, a camada contaminada foi reduzida para apenas vinte e um micrômetros, e a estrutura alterada do metal foi confinada a uma faixa muito mais fina de apenas cento e sete micrômetros.

A melhoria não foi apenas em termos de espessura; a natureza da reação também mudou. Nas cascas com menos ítria, o zirconato de cálcio se decompunha em altas temperaturas, liberando elementos que reagiam com o titânio para formar compostos indesejados e uma mistura de diferentes estruturas metálicas. No entanto, conforme o conteúdo de ítria aumentava, ela atuava como um estabilizador, impedindo a decomposição da cerâmica. Nas cascas de maior sucesso, a superfície do titânio permaneceu quase inteiramente pura, retendo sua estrutura original sem a formação dessas novas fases quebradiças. Os pesquisadores também observaram que as cascas cerâmicas se tornaram mais fortes e menos propensas a rachar ou lascar quando o conteúdo de ítria era maior, o que protegia ainda mais o metal da contaminação.

Para entender exatamente o que estava acontecendo dentro da casca, a equipe analisou a composição química das camadas usando técnicas avançadas de imagem e raios-X. Eles descobriram que, nas cascas com baixa quantidade de ítria, o material cerâmico se decompunha, criando uma mistura caótica de óxidos que reagiam agressivamente com o metal fundido. Mas quando o conteúdo de ítria era alto, a cerâmica permanecia estável, formando uma barreira protetora que mantinha o titânio puro. A equipe também mediu a temperatura na qual a reação entre a cerâmica e o metal começava a ocorrer. Eles descobriram que as cascas com mais ítria podiam suportar temperaturas mais altas antes que qualquer reação começasse, confirmando que o material havia se tornado termodinamicamente mais estável.

O estudo concluiu que existe um ponto de virada para o quanto de ítria é necessário para fazer isso funcionar efetivamente. Quando a quantidade de ítria era reduzida abaixo de quarenta por cento, o material deixava de agir como um componente protetor primário e passava a ser um aditivo menor que falhava em impedir a decomposição da cerâmica. Essa mudança fez com que a camada de reação engrossasse significativamente, anulando os benefícios do design composto. Portanto, os pesquisadores determinaram que, para obter os melhores resultados, a casca deve conter pelo menos quarenta por cento de ítria. Essa descoberta fornece uma diretriz prática para fabricantes, mostrando que, embora adicionar mais do material caro melhore o desempenho, um limiar mínimo específico é necessário para tornar a casca cerâmica verdadeiramente eficaz contra a natureza agressiva do titânio fundido.