‘Superliga’ feita com impressora 3D pode reduzir emissões de usinas de energia

Crédito da imagem: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Pela equipe editorial da E&T

Publicado segunda-feira, 20 de fevereiro de 2023

Uma nova “superliga” impressa em 3D poderia ajudar as usinas a gerar mais eletricidade e, ao mesmo tempo, produzir menos carbono.

Um grupo de cientistas dos Laboratórios Nacionais Sandia, Laboratório Nacional Ames, Universidade Estadual de Iowa e Bruker Corp., todos nos EUA, usaram uma impressora 3D para criar uma liga metálica de alto desempenho, ou superliga, com uma composição incomum que a torna mais forte e mais leves do que os materiais de última geração usados ​​atualmente em máquinas de turbinas a gás.

As descobertas poderão ter amplos impactos em todo o sector energético, bem como nas indústrias aeroespacial e automóvel, e apontam para uma nova classe de ligas semelhantes que ainda não foram descobertas.

“Estamos mostrando que este material pode acessar combinações anteriormente inalcançáveis ​​de alta resistência, baixo peso e resiliência a altas temperaturas”, disse o cientista da Sandia, Andrew Kustas. “Acreditamos que parte da razão pela qual conseguimos isso se deve à abordagem de fabricação aditiva.”

Tanto as usinas de combustíveis fósseis quanto as nucleares dependem do calor para girar turbinas que geram eletricidade. Mas a eficiência da usina é limitada pelo grau de aquecimento das peças metálicas da turbina.

Crédito da imagem: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Se as turbinas puderem operar em temperaturas mais altas, mais energia poderá ser convertida em eletricidade, reduzindo ao mesmo tempo a quantidade de calor residual liberado para o meio ambiente.

A nova superliga, composta por 42% de alumínio, 25% de titânio, 13% de nióbio, 8% de zircônio, 8% de molibdênio e 4% de tântalo – era mais resistente a 800°C do que muitas outras ligas de alto desempenho. ligas, incluindo aquelas usadas atualmente em peças de turbinas, e ainda mais forte quando volta à temperatura ambiente.

“Isto é, portanto, uma situação em que todos ganham para uma energia mais económica e para o ambiente”, disse Sal Rodriguez, engenheiro nuclear da Sandia que não participou na investigação.

Pesquisadores aeroespaciais que buscam materiais leves que permaneçam fortes em altas temperaturas também poderiam se beneficiar da superliga.

A impressão 3D já é amplamente utilizada como um método de fabricação versátil e com baixo consumo de energia. Ele usa um laser de alta potência para derreter rapidamente um material, geralmente um plástico ou metal, que é então depositado em camadas para construir um objeto à medida que o material fundido esfria e solidifica rapidamente.

Os pesquisadores adaptaram a tecnologia como uma maneira rápida e eficiente de criar novas ligas, usando uma impressora 3D para fundir metais em pó e, em seguida, produzir imediatamente uma amostra deles.

“Temos muitos exemplos de onde combinamos dois ou três elementos para fazer uma liga de engenharia útil”, disse Kusta. “Agora, estamos começando a abordar quatro, cinco ou mais dentro de um único material. E é aí que tudo realmente começa a ficar interessante e desafiador do ponto de vista da ciência dos materiais e da perspectiva metalúrgica.”

Seguindo em frente, a equipe está interessada em explorar se técnicas avançadas de modelagem computacional poderiam ajudar os pesquisadores a descobrir mais membros do que poderia ser uma nova classe de superligas de alto desempenho produzidas por manufatura aditiva.

“São misturas extremamente complexas”, disse o cientista da Sandia, Michael Chandross, que não esteve diretamente envolvido no estudo. “Todos esses metais interagem no nível microscópico – até mesmo atômico – e são essas interações que realmente determinam quão forte é um metal, quão maleável ele é, qual será seu ponto de fusão e assim por diante.

“Nosso modelo elimina muitas suposições da metalurgia porque pode calcular tudo isso e nos permitir prever o desempenho de um novo material antes de fabricá-lo.”

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