Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior
Este estudo demonstra que a otimização das modificações de Sc/Zr e Zn/Zr em ligas de Al–7Mg depositadas por energia direcionada a laser refina eficazmente a estrutura de grãos para alcançar um equilíbrio superior entre alta resistência à tração e resistência à corrosão, oferecendo uma estratégia de baixo custo para reduzir a dependência de escândio.
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Peças metálicas para aviões, carros e navios frequentemente precisam ser incrivelmente fortes e leves, mas também devem resistir à mordida lenta e destrutiva da ferrugem e da água salgada. Por décadas, engenheiros têm dependido do alumínio para esses trabalhos porque ele é naturalmente leve e resistente à corrosão. No entanto, fabricar peças de alumínio que também sejam fortes o suficiente para aplicações de alto estresse tem sido um desafio persistente, especialmente ao usar técnicas de manufatura modernas que constroem objetos camada por camada. Uma dessas técnicas, conhecida como deposição de energia direcionada por laser, funciona como uma tocha de soldagem de alta precisão que derrete pó metálico e o funde em uma forma sólida. Embora este método permita a criação de estruturas complexas e leves que as fábricas tradicionais não conseguem produzir, ele frequentemente deixa o metal com uma estrutura interna grosseira e irregular que o torna fraco e propenso a rachaduras. Para corrigir isso, cientistas há muito buscam adicionar pequenas quantidades de elementos específicos à mistura de alumínio para refinar sua estrutura de grãos interna, de forma muito semelhante a como um padeiro pode adicionar um ingrediente específico para garantir que o pão cresça uniformemente, mas encontrar uma maneira de fazer isso sem usar materiais caros ou raros tem sido o santo graal da área.
Uma equipe de pesquisadores partiu para resolver este problema testando duas estratégias diferentes para modificar uma liga de alumínio comum contendo sete por cento de magnésio. O objetivo deles era ver se conseguiam criar um material que não fosse apenas forte e livre de rachaduras, mas também resistente à corrosão, tudo isso mantendo os custos baixos. Eles começaram usando um laser para derreter e fundir o pó metálico, ajustando cuidadosamente a potência do laser e a velocidade com que ele se movia para garantir que o metal derretesse suavemente sem formar buracos ou rachaduras. Uma vez que haviam aperfeiçoado o processo de impressão para a liga de alumínio base, introduziram dois conjuntos diferentes de aditivos. O primeiro conjunto incluiu pequenas quantidades de escândio e zircônio, elementos conhecidos por serem excelentes em quebrar grandes grãos de metal em grãos minúsculos e uniformes, embora o escândio seja notoriamente caro e difícil de obter. O segundo conjunto substituiu o caro escândio pelo zinco, um metal muito mais barato e comum, combinado com o zircônio, para ver se poderia alcançar resultados semelhantes.
Os resultados de seus experimentos revelaram um quadro claro de como esses aditivos alteraram o metal. A liga de alumínio base, sem nenhum aditivo especial, formou grãos grandes que mediavam, em média, mais de cem micrômetros de tamanho, o que é aproximadamente a largura de um fio de cabelo humano. Quando os pesquisadores adicionaram escândio e zircônio, a estrutura interna mudou dramaticamente. Os grãos tornaram-se incrivelmente finos, encolhendo para um tamanho médio de menos de dez micrômetros. Esse refinamento tornou o metal significativamente mais forte e uniforme. A liga com a maior quantidade de escândio provou ser a mais forte, capaz de suportar uma força de tração de mais de quatrocentos megapascais antes de romper, mantendo ainda flexibilidade suficiente para esticar sem quebrar. Curiosamente, as ligas modificadas com zinco também mostraram uma grande melhoria em relação ao metal base, com seus grãos encolhendo para cerca de quinze a dezesseis micrômetros. Embora não tão finos quanto as versões com escândio, esse nível de refinamento ainda foi impressionante e resultou em um material quase tão forte quanto a opção mais cara.
Além da resistência, os pesquisadores estavam interessados em ver como essas novas ligas se comportariam contra a corrosão, um fator crítico para qualquer metal usado em ambientes marinhos ou automotivos. Eles expuseram as amostras impressas a uma névoa constante de água salgada durante vários dias para simular condições severas. A liga contendo a menor quantidade de escândio teve o melhor desempenho neste teste, perdendo a menor quantidade de peso e mostrando a taxa de corrosão mais lenta. As ligas modificadas com zinco, embora fortes, mostraram taxas de corrosão ligeiramente superiores, sugerindo que o zinco pode criar pequenas áreas dentro do metal onde a ferrugem poderia começar mais facilmente. O estudo também observou que, durante o processo de impressão a laser, parte do magnésio e do zinco evaporou devido ao calor intenso, mas as ligas ainda retiveram elementos suficientes para funcionar conforme pretendido. O escândio e o zircônio, no entanto, permaneceram estáveis durante todo o processo.
As descobertas sugerem um caminho prático para a indústria. Embora a liga modificada com escândio ofereça o melhor equilíbrio geral entre resistência e resistência à corrosão, a versão modificada com zinco fornece uma alternativa atraente e de menor custo que ainda entrega alto desempenho. Os pesquisadores demonstraram que, ao controlar cuidadosamente o processo de impressão e escolher a mistura certa de elementos, é possível criar peças de alumínio que são livres de rachaduras, possuem uma estrutura interna muito fina e detêm a resistência mecânica necessária para aplicações exigentes. Este trabalho indica que os engenheiros não precisam necessariamente depender dos materiais mais caros para alcançar resultados de alta qualidade; em vez disso, eles podem usar combinações estratégicas de elementos comuns e raros para adaptar o alumínio para o futuro da manufatura leve.
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