Metais de alta temperatura são essenciais para o funcionamento de motores de aeronaves, turbinas a gás, sistemas de raios-X e outras tecnologias avançadas. Entre os metais mais resistentes ao calor estão os metais refratários, como tungstênio, molibdênio e cromo, todos com pontos de fusão em torno de 2.000 graus Celsius (~3.600 graus Fahrenheit) ou superiores. Apesar de sua excepcional tolerância ao calor, esses metais apresentam grandes desafios: são frágeis em temperaturas normais e oxidam-se rapidamente quando expostos ao oxigênio, levando à falha mesmo a 600 a 700 graus Celsius (~1.100 a 1.300 graus Fahrenheit). Por causa disso, podem ser utilizados apenas em ambientes de vácuo especializados, como nos ânodos rotativos de raios-X.
Para superar essas limitações, engenheiros há muito confiam em superligas à base de níquel para componentes que precisam 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 compostas por muitos elementos metálicos diferentes, incluindo alguns raramente disponíveis, de modo que combinam várias propriedades. Elas são dúcteis à temperatura ambiente, estáveis em altas temperaturas e resistentes à oxidação,” explica o Professor Martin Heilmaier do Instituto de Materiais Aplicados do KIT — Ciência e Engenharia de Materiais. “No entanto — e aí está o problema — as temperaturas de operação, ou seja, as temperaturas em que podem ser utilizadas com segurança, estão na faixa de até 1.100 graus Celsius no máximo. Isso é muito baixo para explorar todo o potencial de maior eficiência em turbinas ou outras aplicações de alta temperatura. O fato é que a eficiência nos processos de combustão aumenta com a temperatura.”
Uma Oportunidade para um Salto Tecnológico
Reconhecendo esse limite de desempenho, a equipe de Heilmaier se propôs a encontrar uma nova solução. Dentro do grupo de treinamento de pesquisa da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) “Compósitos de Materiais Compostos para Aplicações em Condições Extremas” (MatCom-ComMat), a equipe desenvolveu uma nova liga que combina cromo, molibdênio e silício. Este material à base de metal refratário, cuja descoberta contou com a contribuição significativa do Dr. Alexander Kauffmann, agora professor da Universidade de Ruhr Bochum, apresenta propriedades nunca antes vistas.
“É dúctil à temperatura ambiente, seu ponto de fusão é de cerca de 2.000 graus Celsius e — ao contrário das ligas refratárias conhecidas até agora — oxida-se apenas lentamente, mesmo na faixa de temperatura crítica. Isso nutre a visão de ser capaz de fabricar componentes adequados para temperaturas de operação substancialmente superiores a 1.100 graus Celsius. Assim, o resultado de nossa pesquisa tem o potencial de possibilitar um verdadeiro salto tecnológico,” diz Kauffmann. Isso é particularmente notável, pois a resistência à oxidação e a ductilidade ainda não podem ser previstas de forma suficiente para permitir um design de material direcionado — apesar do grande progresso alcançado no desenvolvimento de materiais assistido por computador.
Mais Eficiência, Menos Consumo
“Em uma turbina, mesmo um aumento de temperatura de apenas 100 graus Celsius pode reduzir o consumo de combustível em cerca de cinco por cento,” explica Heilmaier. “Isso é particularmente relevante para a aviação, já que aviões movidos a eletricidade dificilmente serão adequados para voos longos nas próximas décadas. Portanto, uma redução significativa do consumo de combustível será uma questão vital. Turbinas a gás estacionárias em usinas também poderiam operar com menores emissões de CO2 graças a materiais mais robustos. Para poder utilizar a liga em nível industrial, muitos outros passos de desenvolvimento são necessários,” afirma Heilmaier. “No entanto, com nossa descoberta na pesquisa fundamental, alcançamos um marco importante. Grupos de pesquisa em todo o mundo agora podem se basear nessa conquista.”