Os metais de alta temperatura são essenciais para alimentar motores de aeronaves, turbinas a gás, sistemas de raios X e outras tecnologias avançadas. Os mais resistentes ao calor são os metais refratários, como tungstênio, molibdênio e cromo, todos com pontos de fusão em torno ou acima de 2.000 graus Celsius (~3.600 graus Fahrenheit). Embora estes metais tenham excelente resistência ao calor, também apresentam desafios significativos: são frágeis à temperatura ambiente e oxidam rapidamente quando expostos ao oxigénio, causando falhas mesmo a temperaturas entre 600 e 700 graus Celsius (cerca de 1.100 a 1.300 graus Fahrenheit). Portanto, eles só podem ser usados em ambientes de vácuo especializados, como ânodos rotativos de raios X.
Para superar essas limitações, os engenheiros há muito confiam em superligas à base de níquel para criar peças que devem suportar ar quente ou gases de combustão. Esses materiais são padrão em turbinas a gás e outros sistemas de alta temperatura.
“As superligas existentes são feitas de muitos elementos metálicos diferentes, incluindo alguns raros, por isso combinam uma variedade de propriedades. São dúcteis à temperatura ambiente, estáveis a altas temperaturas e resistentes à oxidação, “explica o professor Martin Heilmeier do Instituto de Materiais Aplicados – Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe. “No entanto, existe o problema de que a temperatura operacional (ou seja, a temperatura na qual é seguro usar) é de até 1.100 graus Celsius. Esta temperatura é muito baixa para realizar todo o potencial de eficiência em turbinas ou outras aplicações de alta temperatura. O fato é que a eficiência do processo de combustão aumenta com a temperatura.”
Oportunidades para saltos tecnológicos
Reconhecendo esta limitação de desempenho, a equipe de Heilmaier começou a procurar uma nova solução. Dentro do grupo de treinamento de pesquisa “Compostos de materiais para aplicações em condições extremas” (MatCom-ComMat) da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), a equipe desenvolveu uma nova liga combinando cromo, molibdênio e silício. Este material refratário à base de metal exibe propriedades nunca antes vistas, e o Dr. Alexander Kaufmann, agora professor da Ruhr-Universität Bochum, desempenhou um papel importante em sua descoberta.
“É dúctil à temperatura ambiente, tem um ponto de fusão tão alto quanto cerca de 2.000 graus Celsius e, ao contrário das ligas refratárias até agora conhecidas, só pode oxidar lentamente, mesmo dentro de faixas críticas de temperatura. Isso deu origem à visão de ser capaz de fabricar componentes adequados para temperaturas operacionais bem acima de 1.100 graus Celsius. Nossos resultados, portanto, têm o potencial de alcançar um verdadeiro salto tecnológico”, disse ele. Kaufman. Isto é particularmente notável porque a resistência à oxidação e a ductilidade ainda não são adequadamente previstas para o projeto de materiais específicos, apesar do tremendo progresso no desenvolvimento de materiais auxiliados por computador.
Mais eficiente, menos consumo
“Numa turbina, mesmo um aumento de temperatura de apenas 100 graus Celsius pode reduzir o consumo de combustível em cerca de 5%”, explica Heilmaier. “Isto é particularmente relevante para a indústria da aviação, uma vez que as aeronaves movidas a electricidade dificilmente serão adequadas para voos de longa distância nas próximas décadas. Uma redução significativa no consumo de combustível será, portanto, uma questão crucial. Turbinas a gás estacionárias em centrais eléctricas também podem ser operadas com menores emissões de CO2 graças ao material mais forte. Para poder utilizar esta liga a nível industrial, muitas etapas adicionais de desenvolvimento precisam ser tomadas”, diz Heilmaier. “No entanto, com a nossa descoberta na investigação básica, atingimos um marco importante. Grupos de investigação em todo o mundo podem agora aproveitar esta conquista.”
