José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (FEM-Unicamp) desenvolveram um material metálico multicamadas, produzido por manufatura aditiva, capaz de combinar alta resistência mecânica e boa ductilidade – propriedades difíceis de conciliar em ligas metálicas estruturais. As aplicações possíveis vão de próteses a componentes estruturais de aeronaves.
O estudo, publicado na revista Additive Manufacturing, demonstra que é possível modular vários parâmetros mediante a alternância controlada de camadas de duas ligas distintas de titânio. O material foi fabricado por meio de uma impressora 3D computadorizada especialmente modificada para a tarefa, capaz de produzir camadas de espessura micrométrica por fusão a laser em leito de pó. O trabalho foi coordenado por Rubens Caram Junior, professor titular da FEM-Unicamp. “A ideia foi combinar uma liga muito resistente com outra mais dúctil, de modo que o conjunto apresentasse um equilíbrio ajustável entre essas propriedades”, afirma o pesquisador.
A pesquisa contou com vários apoios da FAPESP (processos 18/18293-8, 23/13947-8, 22/10049-6, 21/06156-9, 24/13761-4 e 22/10350-8) e utilizou a infraestrutura do Laboratório Nacional de Nanotecnologia do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LNNano-CNPEM).
Em engenharia de materiais, aumentar a resistência mecânica normalmente implica reduzir a ductilidade, a capacidade do material de se deformar plasticamente antes da fratura. Esse comportamento, conhecido como “paradoxo resistência-ductilidade”, limita seriamente as aplicações. “Em um material único, quando a resistência mecânica aumenta, a ductilidade diminui. E isso constitui um grande problema, porque a ductilidade é fundamental para absorver energia antes da fratura. Do contrário, ele pode romper de forma abrupta”, explica o pesquisador. A alternância controlada de camadas distintas, uma mais resistente, a outra mais dúctil, permitiu solucionar o problema.
A estratégia adotada foi combinar duas ligas metaestáveis de titânio: uma de alta resistência, sensível a tratamentos térmicos e amplamente utilizada em aplicações aeroespaciais, que incorpora alumínio (Al), molibdênio (Mo), vanádio (V) e cromo (Cr), resultando na Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr ou, simplesmente, Ti-5553; e uma liga contendo nióbio (Nb), com elevada ductilidade, empregada em biomateriais, a Ti-42Nb.
A liga Ti-5553 pode atingir resistência acima de 1.200 megapascais (MPa). Pascal (Pa) é uma unidade padrão de pressão do Sistema Internacional (SI), definida como 1 Newton por metro quadrado (1 N/m²). O nome presta homenagem ao físico, matemático e filósofo francês Blaise Pascal (1623-1662).
A Ti-42Nb apresenta baixo módulo elástico e maior capacidade de deformação.
“A liga Ti-5553 é extremamente sensível a tratamentos térmicos. Sem tratamento, pode apresentar resistência de cerca de 600 MPa. Após tratamento térmico adequado, pode ultrapassar 1.200 MPa. Porém, quanto mais resistente ela fica, menos dúctil se torna. Já a liga Ti-42Nb mantém maior ductilidade e apresenta módulo de elasticidade reduzido”, diz Caram.
O “módulo elástico” (ou “módulo de elasticidade”) é uma grandeza física que mede a rigidez de um material, isto é, o quanto ele se deforma elasticamente quando submetido a uma força. Em termos simples: é a razão entre a tensão aplicada e a deformação produzida. Um valor alto para essa razão indica que é necessário aplicar muita força para deformar. Algo que acontece com materiais rígidos, como o aço, por exemplo. Já um valor baixo mostra que o material pode se deformar com forças muito menores, como é o caso da borracha, entre outros.
A heteroestrutura foi produzida por meio de uma técnica denominada Powder Bed Fusion – Laser Beam (PBF-LB), na qual partículas esféricas muito pequenas de pó metálico são depositadas sobre um substrato, niveladas por um distribuidor de pó e fundidas seletivamente por um feixe de laser.
Um importante diferencial do estudo foi a modificação de um equipamento nacional de manufatura aditiva, com a incorporação de dois reservatórios independentes de pó, permitindo alternar automaticamente a alimentação das ligas durante a fabricação.
A impressora 3D adaptada para o estudo (imagem: Rubens Caram Junior/FEM-Unicamp)
“Desenvolvemos um aparato que permite mudar a composição a cada camada. As máquinas tradicionais não permitem essa alternância controlada”, sublinha Caram. No trabalho, foram produzidas camadas alternadas de aproximadamente 300 micrômetros, claramente identificadas por microscopia eletrônica.
Um dos achados relevantes do estudo foi a interrupção do “crescimento epitaxial contínuo” entre camadas. Ele ocorre durante a deposição de um material sobre um substrato de modo que a camada depositada segue a mesma orientação cristalográfica do material de base. Em outras palavras: o novo cristal cresce “copiando” a orientação cristalográfica do cristal abaixo. No trabalho em pauta, a alternância de materiais interrompeu o crescimento epitaxial contínuo, evitando o inconveniente da anisotropia mecânica. Um material anisotrópico não se comporta da mesma maneira se for alongado, comprimido ou dobrado em diferentes direções. Já materiais isotrópicos possuem propriedades uniformes em todas as direções.
Mesmo na condição inicial, sem tratamento térmico, o novo material apresentou desempenho expressivo, com resistência à tração da ordem de 800 MPa e alongamento superior a 10%. Tratamentos térmicos seguidos de envelhecimento permitiram modular as propriedades e melhorar ainda mais os atributos.
“O que ocorre é uma modificação da microestrutura interna. Ao elevar a temperatura e controlar o resfriamento, aumentamos significativamente a resistência das camadas de Ti-5553, e, portanto, aumentamos também, de forma expressiva, a resistência de toda a heteroestrutura”, comenta o pesquisador.
Aplicações
A liga Ti-5553 já é empregada em trens de pouso de aeronaves comerciais. Segundo Caram, a substituição de aço por titânio pode diminuir o peso da aeronave em centenas de quilos, possibilitando maior transporte de carga. Isso se deve ao fato de que a densidade do titânio (≈4,5 g/cm³) é muito menor do que a do aço (≈8 g/cm³).
Já na área médica, o baixo módulo elástico é crucial. “Se é colocada uma haste muito rígida no fêmur, o osso deixa de se deformar elasticamente quando é solicitado mecanicamente. Isso pode induzir reabsorção óssea. Por isso buscamos ligas com módulo de elasticidade mais baixo”, afirma Caram.
A possibilidade futura é produzir hastes femorais para próteses de quadril com variação gradual de composição e rigidez (módulo de elasticidade) ao longo da peça: mais rígidas na região superior e mais flexíveis na inferior. “Hoje essas hastes são constituídas por um só tipo de material, com comportamento mecânico único. A nossa visão é fabricar uma haste com variações controladas de composição e, consequentemente, de comportamento mecânico”, prognostica o pesquisador.
A abordagem amplia o escopo do design de multimateriais estruturais produzidos por manufatura aditiva, fornecendo diretrizes práticas para ajuste fino de propriedades mecânicas. O conceito aproxima-se do de materiais compósitos, mas com uma diferença essencial: as heterogeneidades são constituídas por ligas metálicas compatíveis da mesma classe, evitando a formação de fases intermetálicas frágeis na interface.
O artigo Tailoring strength and ductility in Ti-5553/Ti-42Nb layered heterostructures produced by laser powder bed fusion pode ser acessado em: sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860425003987.
Fonte ==> Folha SP
