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Propriedades e importância das ligas refractárias
As ligas refractárias feitas de materiais como o tungsténio, o molibdénio, o nióbio, o tântalo, o rénio e o vanádio desempenham um papel fundamental em aplicações extremas na indústria aeroespacial. aeroespacialtecnologia nuclear, indústria de alta temperatura, tecnologia médica e eletrónica (1). Estes materiais de elevado desempenho caracterizam-se por propriedades excepcionais que os tornam essenciais para as tecnologias inovadoras.
As caraterísticas destas ligas incluem
- Especialmente adequado para temperaturas de funcionamento superiores a 1200 °C
- Pontos de fusão maioritariamente acima de 2000 °C
- Elevada resistência e excecional resistência ao desgaste, deformação e distorção
- Excelente resistência à temperatura e à carga
Apesar das suas propriedades excepcionais, estes materiais colocam grandes desafios aos investigadores e criadores. As ligas clássicas como o MoNbTaW, apresentam frequentemente uma maquinabilidade deficiente, uma densidade elevada e, sobretudo, problemas de oxidação (2). O tungsténio e o molibdénio, em particular, formam óxidos voláteis quando em contacto com o ar ou com atmosferas oxidantes, enquanto o tântalo e o nióbio desenvolvem camadas protectoras sólidas, mas também são susceptíveis.
Processos de fabrico inovadores
O processamento de metais refractários requer processos de fabrico especializados, uma vez que estes já não podem, normalmente, ser processados por metalurgia de fusão. Os processos de metalurgia do pó estabeleceram-se como o padrão industrial e permitem o ajuste direcionado da porosidade, da estrutura e da composição da liga (3).
As variantes modernas da metalurgia do pó oferecem vantagens consideráveis:
- Prensagem isostática a quente (HIP) para materiais muito densos e de junção fina
- Sinterização por plasma de faísca (SPS) com baixa temperatura de processamento
- Minimização do consumo de oxigénio relacionado com o processo
- Elevada utilização de material devido à perda mínima durante a prensagem e sinterização
O fabrico aditivo de ligas refractárias utilizando a fusão em leito de pó a laser ou a fusão por feixe de electrões oferece potencial para geometrias complexas e componentes personalizados. Os avanços no controlo do processo, tais como atmosferas optimizadas ou controlo da reação in-situ, estão continuamente a alargar os limites da aplicação (4). Em investigação recente, a formação de ligas in-situ direcionadas e o reforço localizado com carbonetos e óxidos aumentaram a qualidade dos componentes.
Ligas refractárias de alta entropia (RHEA)
As ligas de alta entropia com vários componentes principais, em particular as ligas refractárias de alta entropia (RHEA), como HfNbTaZr ou MoNbTaVW, estão a ser desenvolvidas especificamente para ambientes extremos (4). Estes materiais inovadores apresentam propriedades caraterísticas que os distinguem das ligas convencionais e abrem novas possibilidades na tecnologia de alta temperatura.
As RHEA caracterizam-se pela formação preferencial de soluções sólidas monofásicas que apresentam tensões de cedência muito elevadas e uma resistência excecional à corrosão. Destaca-se, em particular, a sua resistência à radiação, que os predestina para aplicações nucleares, bem como as suas propriedades de auto-regeneração em caso de danos causados pela radiação. Estas propriedades resultam da interação complexa entre os vários elementos de liga, que conduzem a uma microestrutura única.
As estratégias de conceção modernas utilizam cada vez mais métodos assistidos por computador:
- Aprendizagem automática para prever as composições óptimas
- Simulações de Monte Carlo para análise estrutural
- Modelação multiescala para otimização de propriedades
Os RHEA à base de Mo, Ta, Nb e W, em particular, apresentam um grande potencial para aplicações em tecnologia nuclear devido à sua excecional resistência à radiação e podem representar a próxima geração de materiais para reactores.
Aplicações industriais e áreas de utilização
As propriedades especiais das ligas refractárias tornam-nas indispensáveis para uma vasta gama de aplicações industriais. Componentes como lâminas de turbinas, estruturas de foguetões, válvulas ou escudos de radiação resistentes ao calor beneficiam diretamente destas propriedades (4). As ligas de alta entropia apresentam vantagens significativas em relação às superligas clássicas à base de níquel a temperaturas de funcionamento superiores a 1200°C.
As áreas especiais de aplicação incluem
- Aeroespacial: Lâminas de turbinas, estruturas de foguetões
- Tecnologia nuclear: proteção contra radiações, componentes estruturais
- Tecnologia médica: Implantes biocompatíveis (tântalo, nióbio)
- Eletrónica: sistemas de imagem, contactos eléctricos
- Indústria de alta temperatura: aquecedores radiantes, válvulas resistentes ao calor
O tântalo e o nióbio são utilizados sobretudo em implantes e componentes electrónicos, uma vez que são biocompatíveis, resistentes à corrosão e radiopacos. O tungsténio e o molibdénio são utilizados em sistemas de imagiologia e como emissores de calor ou contactos eléctricos (5).
Comparação: Metalurgia do pó vs. fabrico de aditivos
Ambos os processos de fabrico oferecem vantagens e desvantagens específicas para as ligas de tungsténio e molibdénio e são utilizados especificamente em função da aplicação e da geometria do componente. A metalurgia do pó permite a produção de ligas densas, de grão fino, com elevada pureza e uma microestrutura uniforme, minimizando as perdas de material. A prensagem e a sinterização minimizam as perdas de material, o que reduz os custos das matérias-primas e, ao mesmo tempo, permite um bom controlo da composição da liga. A seleção e a mistura orientadas dos pós permitem definir com precisão as propriedades do material, mesmo para sistemas difíceis de misturar, como o TZM (molibdénio-titânio-zircónio-carbono). O método também é muito adequado para a produção em massa de componentes pequenos e médios da mesma geometria com desvios dimensionais estreitos.
O fabrico aditivo, por outro lado, permite geometrias complexas, canais internos e estruturas biónicas que seriam impossíveis ou muito dispendiosas de realizar utilizando a metalurgia do pó. Os processos aditivos, como a fusão a laser em leito de pó ou o jato de aglutinante, oferecem uma flexibilidade geométrica que traz vantagens decisivas para o desenvolvimento de designs de componentes inovadores. Peças individuais e pequenas séries podem ser realizadas rapidamente e sem ferramentas dispendiosas, o que é ideal para investigação e desenvolvimento de protótipos. Os componentes complexos ou funcionalmente integrados são muitas vezes significativamente mais baratos, uma vez que a maquinação e a montagem já não são necessárias e os designs podem ser optimizados sem ter de considerar as capacidades de fresagem ou perfuração.
No entanto, ambos os processos enfrentam desafios técnicos significativos. O controlo dos defeitos e do processo exige a máxima atenção em ambas as tecnologias, em especial o controlo da fissuração e da porosidade com o tungsténio é problemático devido aos elevados pontos de fusão e à solidificação frágil. As perdas de material devido à vaporização de componentes de ligas com baixo ponto de fusão, como o níquel ou o ferro, podem levar a uma perda incontrolável de liga durante a fusão. A necessidade de pós-processamento, como a eliminação de pó, o alisamento ou o tratamento pós-aquecimento, mantém-se normalmente, e os componentes nem sempre atingem a densidade e a qualidade mecânica dos componentes clássicos da metalurgia do pó
Soluções para desafios de processamento
A pré-ligação de pós no fabrico de aditivos reduz significativamente a evaporação e, consequentemente, a perda de elementos de liga voláteis, como o níquel ou o ferro, uma vez que estes já se encontram homogeneamente integrados e quimicamente ligados em cada partícula individual de pó (6). Com pós pré-ligados, a composição da liga desejada já está definida na fusão e o pó é então produzido por atomização da liga completamente fundida.
Outras soluções importantes incluem
- Melhoria da resistência à oxidação através de revestimentos protectores
- Dopagem com alumínio ou silício
- Modificações inovadoras da superfície
- Processos modernos de aditivos com atmosfera controlada
- Métodos assistidos por computador e simulações multi-escala
Evitar a captação de oxigénio e a produção de estruturas homogéneas e de grão fino continuam a ser os principais desafios que podem ser ultrapassados através de um controlo preciso do processo e de uma tecnologia de processo moderna.
Conclusão
A produção e a aplicação eficientes de ligas refractárias em indústrias de elevada tensão só podem ser alcançadas através da interação entre a metalurgia do pó avançada, o fabrico de aditivos e a conceção inovadora de materiais. As ligas refractárias de elevada entropia oferecem um potencial especial para aplicações extremas na tecnologia nuclear e aeroespacial. Apesar dos desafios existentes em termos de processamento e resistência à oxidação, o desenvolvimento de ligas específicas, os revestimentos protectores e os processos de fabrico altamente desenvolvidos oferecem uma forma de conduzir continuamente estes materiais de elevado desempenho a novas esferas de aplicação. O desenvolvimento de pós pré-ligados e de parâmetros de processo optimizados desempenhará um papel fundamental na sua futura utilização industrial.
Lista de fontes
(1) Zhuo, L. et al.: Uma revisão dos progressos recentes das ligas refractárias de alta entropia. Journal of Materials Research and Technology 33:1097-1129 (2024).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785424021355
(2) Pacchioni, G. et al.: Designing ductile refractory high-entropy alloys. Nature Reviews Materials (2025). https://www.nature.com/articles/s41578-024-00763-1
(3) Mukherjee, P. et al.: Fabrico aditivo de metais refractários e carbonetos para ambientes extremos: uma visão geral. Ciência e tecnologia da soldadura e união. 29.
(4) Rodriguez, S. et al: Application of Refractory High-Entropy Alloys for Higher Performance in Advanced Nuclear Reactors and Aerospace (2021). DOI: 10.2172/1822585
(5) Leading Edge Metals: Exotic & Refractory Metals in the Medical Equipment Industry (2025).
https://leadingedgemetals.com/industrie-exotic-refractory-metals/medical-equipment-industry/
(6) Indústria do tungsténio: liga de tungsténio para impressão 3D de componentes complexos
https://medizin-und-technik.industrie.de/3d-druck/wolframlegierung-fuer-3d-druck-komplexer-bauteile/
