Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas (FEM-Unicamp) desenvolveram um inovador material metálico multicamadas, produzido por meio de manufatura aditiva. Essa liga é capaz de combinar alta resistência mecânica com boa ductilidade, características que são tradicionalmente difíceis de conciliar nas ligas metálicas estruturais. As possíveis aplicações desse material vão desde próteses até componentes estruturais de aeronaves.
O estudo, publicado na revista Additive Manufacturing, demonstra que é viável modular diversos parâmetros através da alternância controlada de camadas compostas por duas ligas distintos de titânio. O material foi fabricado com uma impressora 3D computadorizada, especialmente modificada para esse projeto, que pode produzir camadas com espessura micrométrica mediante processos de fusão a laser em um leito de pó. O trabalho foi coordenado pelo professor Rubens Caram Junior, titular na FEM-Unicamp. “A proposta foi combinar uma liga extremamente resistente com outra que possui maior ductilidade, de forma que o conjunto resultasse em um equilíbrio ajustável entre essas propriedades”, explica o pesquisador.
A pesquisa recebeu diversos apoios da FAPESP, com os processos de número 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).
No campo da engenharia de materiais, o aumento da resistência mecânica geralmente resulta na redução da ductilidade, que é a capacidade de um material de se deformar plasticamente antes de fraturar. Esse fenômeno, chamado de “paradoxo resistência-ductilidade”, impõe limitações significativas nas aplicações. “Em materiais convencionais, quando a resistência mecânica é elevada, a ductilidade se reduz. Isso é problemático porque a ductilidade é crucial para absorver energia antes de uma fratura. Caso contrário, o material pode romper de maneira abrupta”, esclarece Caram. A alternância controlada entre camadas de distinta composição, uma mais resistente e outra mais dúctil, foi a solução encontrada para esse dilema.
Foram combinadas duas ligas metaestáveis de titânio: a primeira, de alta resistência e sensível a tratamentos térmicos, amplamente utilizada em aplicações aeroespaciais, incorpora alumínio (Al), molibdênio (Mo), vanádio (V) e cromo (Cr), resultando na liga conhecida como Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, ou simplesmente Ti-5553; a segunda apresenta nióbio (Nb) e se destaca pela alta ductilidade, sendo usada especialmente em biomateriais, sendo nomeada Ti-42Nb.
A liga Ti-5553 pode alcançar resistência superior a 1.200 megapascais (MPa). A unidade pascal (Pa) é a medida padrão de pressão no Sistema Internacional (SI) e equivale a 1 Newton por metro quadrado (1 N/m²). O nome é uma homenagem ao físico, matemático e filósofo francês Blaise Pascal (1623-1662).
A Ti-42Nb, por sua vez, apresenta um baixo módulo elástico e uma maior capacidade de deformação. “A liga Ti-5553 é muito sensível a tratamentos térmicos. Sem tratamento, ela pode ter resistência em torno de 600 MPa. Após o tratamento térmico adequado, essa resistência pode superar 1.200 MPa. Contudo, quanto mais forte ela se torna, menor é sua ductilidade. Em contraste, a liga Ti-42Nb mantém uma ductilidade superior e um módulo de elasticidade reduzido”, afirma Caram.
O “módulo elástico” é uma propriedade física que mede a rigidez de um material, ou seja, o quanto ele se deforma elasticamente quando submetido a uma força. Em termos simples, é a razão entre a tensão aplicada e a deformação resultante. Valores altos desse índice indicam que é necessária uma força considerável para provocar a deformação, característica de materiais rígidos como o aço. Valores baixos, por outro lado, revelam que o material pode se deformar com força menor, como acontece com a borracha.
A heteroestrutura foi produzida por uma técnica denominada PBF-LB (Powder Bed Fusion – Laser Beam), na qual partículas esféricas de pó metálico são depositadas sobre um substrato, niveladas por um distribuidor de pó e fundidas seletivamente com um feixe de laser.
Um dos aspectos inovadores do estudo foi a modificação de um equipamento de manufatura aditiva nacional, com a inclusão de dois reservatórios independentes de pó, viabilizando a alternância automática da alimentação das ligas durante o processo de fabricação.
“Desenvolvemos um dispositivo que permite a variação da composição a cada camada. Máquinas convencionais não proporcionam essa alternância controlada”, enfatiza Caram. Durante a pesquisa, foram produzidas camadas alternadas de aproximadamente 300 micrômetros, claramente identificadas através de microscopia eletrônica.
Outro achado importante do estudo foi a interrupção do “crescimento epitaxial contínuo” entre as camadas. Esse fenômeno ocorre durante a deposição de um material sobre um substrato, onde a nova camada segue a orientação cristalográfica do material base. Entretanto, a alternância de materiais interruptou esse crescimento, evitando problemas relacionados à anisotropia mecânica. Materiais anisotrópicos não apresentam o mesmo comportamento quando são alongados, comprimidos ou dobrados em direções diferentes, ao contrário dos isotrópicos, que apresentam características uniformes em todas as direções.
Mesmo antes do tratamento térmico, o novo material demonstrou um desempenho significativo, com resistência à tração em torno de 800 MPa e um alongamento superior a 10%. Tratamentos térmicos e posteriores processos de envelhecimento possibilitaram a modulação das propriedades, aprimorando ainda mais as qualidades do material.
“A elevação da temperatura, juntamente com o controle do resfriamento, promove uma alteração na microestrutura interna do material. Isso resulta em um aumento considerável na resistência das camadas de Ti-5553 e, consequentemente, na resistência de toda a heteroestrutura”, comenta Caram.
Aplicações
A liga Ti-5553 já encontra aplicações em trens de pouso de aeronaves comerciais. Segundo Caram, a substituição de materiais como o aço por titânio pode resultar em uma redução significativa no peso da aeronave, permitindo um aumento na capacidade de transporte de carga, já que a densidade do titânio (aproximadamente 4,5 g/cm³) é substancialmente menor do que a do aço (cerca de 8 g/cm³).
No setor médico, a baixa rigidez do módulo elástico é de extrema importância. “Caso uma haste demasiadamente rígida seja inserida no fêmur, o osso pode deixar de se deformar elasticamente quando submetido a carga mecânica. Isso pode levar à reabsorção óssea. Nossa busca é por ligas com baixo módulo de elasticidade”, destaca Caram.
Uma das perspectivas futuras envolve a produção de hastes femorais para próteses de quadril, com variação gradual de composição e rigidez ao longo da peça: mais rígidas na parte superior e mais flexíveis na inferior. “Atualmente, essas hastes são fabricadas com apenas um tipo de material, apresentando comportamento mecânico homogêneo. Nossa proposta é desenvolver hastes que possuam variações controladas em sua composição, e consequentemente, em seu comportamento mecânico”, prevê Caram.
Essa abordagem amplia o potencial do design de multimateriais estruturais gerados por manufatura aditiva, proporcionando diretrizes práticas para o ajuste fino das propriedades mecânicas. O conceito se assemelha ao de materiais compósitos, mas com uma diferença fundamental: as heterogeneidades são formadas por ligas metálicas compatíveis da mesma classe, evitando a criação de fases intermetálicas frágeis nas interfaces.
Este texto foi publicado originalmente pela Fapesp, e adaptado para o padrão do Poder360.
Fonte:: poder360.com.br
