Uma liga imprimível em 3D projetada para ambientes extremos

Nature volume 617, páginas 513–518 (2023)Cite este artigo

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As ligas de elementos multiprincipais são uma classe facilitadora de materiais devido às suas impressionantes propriedades mecânicas e de resistência à oxidação, especialmente em ambientes extremos1,2. Aqui desenvolvemos uma nova liga à base de NiCoCr reforçada com dispersão de óxido usando uma abordagem de design de liga baseada em modelo e fabricação aditiva baseada em laser. Esta liga reforçada com dispersão de óxido, chamada GRX-810, usa fusão de leito de pó a laser para dispersar partículas de Y2O3 em nanoescala por toda a microestrutura sem o uso de etapas de processamento que consomem muitos recursos, como liga mecânica ou in situ . Mostramos a incorporação e dispersão bem-sucedidas de óxidos em nanoescala em todo o volume de construção do GRX-810 por meio da caracterização de alta resolução de sua microestrutura. Os resultados mecânicos do GRX-810 mostram uma melhoria dupla na resistência, um desempenho de fluência mais de 1.000 vezes melhor e uma melhoria dupla na resistência à oxidação em comparação com as tradicionais ligas policristalinas à base de Ni forjadas usadas extensivamente na fabricação aditiva a 1.093 °C5,6. O sucesso desta liga destaca como os projetos de ligas baseados em modelos podem fornecer composições superiores usando muito menos recursos em comparação com os métodos de “tentativa e erro” do passado. Esses resultados mostram como o desenvolvimento futuro de ligas que aproveita o fortalecimento da dispersão combinado com o processamento de fabricação aditiva pode acelerar a descoberta de materiais revolucionários.

Ligas de alta entropia, também comumente chamadas de ligas de elementos multiprincipais (MPEAs), são uma classe de materiais que atualmente são de interesse da comunidade metalúrgica . Na última década, numerosas investigações científicas descobriram propriedades notáveis exibidas por estas ligas7,10,11,12,13. Uma das famílias MPEA mais investigadas é a liga Cantor CoCrFeMnNi e seus derivados . Este grupo de ligas apresentou excelente endurecimento por deformação, resultando em alta resistência à tração e ductilidade7,15,16,17,18. A superação do equilíbrio entre resistência e ductilidade é resultado de mecanismos de deformação em escala atômica , como energias de falha de empilhamento localmente variáveis 19 e transformações de fase acionadas magneticamente . Esta classe de ligas também provou ser robusta, resistindo à fragilização do ambiente de hidrogênio21, exibindo propriedades de irradiação melhoradas22 e proporcionando resistência superior em temperaturas criogênicas23. Como resultado, essas ligas apresentam grande potencial para inúmeras aplicações aeroespaciais e energéticas em ambientes corrosivos e de temperatura elevada, permitindo redução de peso e operação de maior desempenho.

Um derivado da liga Cantor de interesse especial é a liga de média entropia NiCoCr. Esta família de ligas proporciona a maior resistência à temperatura ambiente entre a liga Cantor e seus derivados2,24. Recentemente, esta liga demonstrou fornecer propriedades de tração impressionantes (resistência ao escoamento em temperatura ambiente de 1.100 MPa) quando submetida a tratamento térmico de recristalização parcial após laminação a frio . Essas propriedades também são atribuídas a transformações de fase cúbica centrada na face (FCC) induzidas por deformação para transformações de fase hexagonais compactas (HCP) e variações locais de falha de empilhamento. A liga e dopagem de NiCoCr com elementos refratários e intersticiais também foram exploradas recentemente. Seol et al. descobriram que a dopagem da liga de alta entropia, NiCoCrFeMn, com 30 ppm de boro resultou em melhorias significativas na resistência e ductilidade atribuídas tanto ao limite de grão quanto ao fortalecimento intersticial do boro . Estudos recentes também descobriram que a adição de carbono aos MPEAs resultou numa melhoria da resistência26,27,28. Por último, Wu et al.29 descobriram que três adições de percentagem atómica (at.%) de W em NiCoCr criaram uma estrutura de grão mais fina (tamanho médio de grão 1 μm), resultando num grande aumento na resistência ao escoamento da liga (mais de 1.000 MPa , em comparação com 500 MPa para NiCoCr não ligado), mantendo ao mesmo tempo uma ductilidade excepcional de mais de 50% (ref. 29). Estes resultados sugerem que melhorias significativas nos sistemas MPEA da FCC ainda podem ser realizadas através de ligas adicionais.

dislocations mostly dissociated into observable intrinsic stacking faults bound by 1/6<112> Shockley partials. Dissociated dislocations mutually interact and form numerous extended stacking-fault node configurations. The density of these dissociated dislocations and grain structure of GRX-810 is better shown in the lower resolution microstructural characterization shown in Extended data Fig. 4. In addition, the presence of numerous stacking-fault tetrahedra and prevalent dislocation interaction with oxides is observed. Stacking-fault tetrahedra have been found to further inhibit dislocation motion and may further improve the creep and tensile properties of this alloy40. Figure 2c,d shows solute segregation of Cr, W and Re at the grain boundary, with Ni and Co depleted. The EDS map in Fig. 2c also shows the presence of Nb/Ti-rich metal carbides predicted by the thermodynamic models to be stable up to alloy melting temperature. This analysis was further validated through SEM as shown in Extended Data Fig. 5. High-resolution high-angle annular dark-field (HAADF)–STEM analysis of the GRX-810 lattice was performed to explore whether local chemical ordering exists in this alloy, as has been found in other high-entropy alloys41,42. The analysis in Fig. 2e,f shows that, despite possessing L12-forming elements such as Al, Ti and Nb, the lattice maintained a perfect solid solution with no short-range elemental ordering present43./p>