 |
| Imagem por microscopia eletrônica do material Ti-5553/Ti-42Nb, com layers mostrando as presenças de alumínio, titânio, nióbio, cromo, vanádio e molibdênio (imagem: Rubens Caram Junior/FEM-Unicamp) |
Estrutura multicamadas baseada em titânio e impressa em 3D combina duas propriedades em geral contraditórias: resistência e ductilidade
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.
José Tadeu Arantes
Nenhum comentário:
Postar um comentário