Ligas de titânio são materiais estruturais essenciais para uma ampla variedade de aplicações, desde infraestrutura aeroespacial e energética até equipamentos biomédicos. Mas, como a maioria dos metais, otimizar suas propriedades tende a envolver uma troca entre duas características principais: resistência e ductilidade. Materiais mais fortes tendem a ser menos deformáveis, e materiais deformáveis tendem a ser mecanicamente fracos.

Agora, pesquisadores do MIT, em colaboração com pesquisadores da ATI Specialty Materials, descobriram uma abordagem para criar novas ligas de titânio que podem exceder essa compensação histórica, levando a novas ligas com combinações excepcionais de resistência e ductilidade, o que pode levar a novas aplicações.

As descobertas são descritas no periódico Advanced Materials , em um artigo de Shaolou Wei ScD '22, Professor C. Cem Tasan, pós-doutorado Kyung-Shik Kim e John Foltz da ATI Inc. As melhorias, diz a equipe, surgem da adaptação da composição química e da estrutura reticular da liga, ao mesmo tempo em que ajustam as técnicas de processamento usadas para produzir o material em escala industrial.

As ligas de titânio têm sido importantes por causa de suas propriedades mecânicas excepcionais, resistência à corrosão e peso leve quando comparadas aos aços, por exemplo. Por meio da seleção cuidadosa dos elementos de liga e suas proporções relativas, e da maneira como o material é processado, "você pode criar várias estruturas diferentes, e isso cria um grande playground para você obter boas combinações de propriedades, tanto para temperaturas criogênicas quanto elevadas", diz Tasan.

Mas essa grande variedade de possibilidades, por sua vez, requer uma maneira de orientar as seleções para produzir um material que atenda às necessidades específicas de uma aplicação particular. A análise e os resultados experimentais descritos no novo estudo fornecem essa orientação.

A estrutura das ligas de titânio, até a escala atômica, governa suas propriedades, explica Tasan. E em algumas ligas de titânio, essa estrutura é ainda mais complexa, composta de duas fases diferentes misturadas, conhecidas como fases alfa e beta.

“A estratégia-chave nessa abordagem de design é levar em consideração diferentes escalas”, ele diz. “Uma escala é a estrutura do cristal individual. Por exemplo, escolhendo cuidadosamente os elementos de liga, você pode ter uma estrutura de cristal mais ideal da fase alfa que permite mecanismos de deformação específicos. A outra escala é a escala policristalina, que envolve interações das fases alfa e beta. Então, a abordagem seguida aqui envolve considerações de design para ambas.”

Além de escolher os materiais de liga e proporções corretas, as etapas do processamento acabaram desempenhando um papel importante. Uma técnica chamada laminação cruzada é outra chave para atingir a combinação excepcional de resistência e ductilidade, descobriu a equipe.

Trabalhando junto com pesquisadores da ATI, a equipe testou uma variedade de ligas sob um microscópio eletrônico de varredura enquanto elas estavam sendo deformadas, revelando detalhes de como suas microestruturas respondem à carga mecânica externa. Eles descobriram que havia um conjunto particular de parâmetros — de composição, proporções e método de processamento — que produziam uma estrutura onde as fases alfa e beta compartilhavam a deformação uniformemente, mitigando a tendência de rachaduras que provavelmente ocorreria entre as fases quando elas respondem de forma diferente. "As fases se deformam em harmonia", diz Tasan. Essa resposta cooperativa à deformação pode produzir um material superior, eles descobriram.

“Observamos a estrutura do material para entender essas duas fases e suas morfologias, e observamos suas químicas realizando análises químicas locais na escala atômica. Adotamos uma ampla variedade de técnicas para quantificar várias propriedades do material em várias escalas de comprimento, diz Tasan, que é o professor de Ciência e Engenharia de Materiais da POSCO e professor associado de metalurgia. “Quando observamos as propriedades gerais” das ligas de titânio produzidas de acordo com seu sistema, “as propriedades são realmente muito melhores do que as ligas comparáveis.”

Esta foi uma pesquisa acadêmica apoiada pela indústria com o objetivo de provar princípios de design para ligas que podem ser produzidas comercialmente em escala, de acordo com Tasan. “O que fazemos nesta colaboração é realmente em direção a uma compreensão fundamental da plasticidade do cristal”, ele diz. “Mostramos que esta estratégia de design é validada e mostramos cientificamente como ela funciona”, ele acrescenta, observando que ainda há espaço significativo para melhorias adicionais.

Quanto às potenciais aplicações dessas descobertas, ele diz: “para qualquer aplicação aeroespacial onde uma combinação melhorada de resistência e ductilidade seja útil, esse tipo de invenção está fornecendo novas oportunidades”.

O trabalho foi apoiado pela ATI Specialty Rolled Products e utilizou instalações do MIT.nano e do Centro de Sistemas em Nanoescala da Universidade de Harvard.