Ligas de alta entropia são conhecidas por sua mistura quase equiatômica de múltiplos elementos metálicos. Eles podem simultaneamente ter um bom desempenho em termos de resistência, tenacidade, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão. Eles são considerados a próxima geração de materiais estruturais essenciais para os campos aeroespacial e de energia. No entanto, a sua preparação sempre enfrentou problemas como mistura desigual e "manchas" da estrutura.Uma equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) propôs recentemente um novo método de controle do caminho do laser para impressão 3D de metal. Através da "agitação microscópica" da poça fundida durante o processo de impressão, melhorou com sucesso a eficiência de mistura de ligas de alta entropia em escala atômica, ao mesmo tempo em que imprimiu diretamente peças com estruturas complexas.

As ligas tradicionais costumam usar um único metal como matriz, complementado por uma pequena quantidade de outros elementos para melhorar o desempenho. Por exemplo, adicionar uma pequena quantidade de carbono ao ferro pode produzir aço com resistência significativamente melhorada, e adicionar níquel e cromo pode formar aço inoxidável com boa resistência à corrosão. À medida que a procura por aplicações de engenharia continua a aumentar, especialmente em turbinas, turbinas a gás, naves espaciais e outros cenários onde os requisitos abrangentes de resistência, durabilidade e resistência a altas temperaturas estão a tornar-se cada vez mais rigorosos, os sistemas de ligas de alta entropia que dependem de cinco ou mais metais com proporções aproximadamente semelhantes começaram a receber atenção generalizada. No entanto, diferentes metais apresentam enormes diferenças em densidade, ponto de fusão e comportamento de solidificação. Mesmo que possam ser temporariamente fundidos a altas temperaturas, podem separar-se facilmente durante o processo de arrefecimento, formando zonas com propriedades significativamente diferentes e enfraquecendo o desempenho global do material. Como enfatizou o físico do NIST Fan Zhang, que participou do estudo, para que as ligas de alta entropia aproveitem suas vantagens, elas devem atingir uma mistura suficiente e uniforme em escala atômica, o que impõe maiores exigências ao processo de fabricação.

Atualmente, as rotas comuns para a preparação de ligas de alta entropia em laboratórios incluem fusão a arco, metalurgia do pó, etc. Eles podem obter amostras de pesquisa ou lingotes simples, mas é difícil fabricar diretamente peças finais com cavidades internas complexas e composições locais ajustáveis. A tecnologia de fusão seletiva a laser (Laser Powder Bed Fusion) na fabricação de aditivos metálicos pode, teoricamente, misturar uma variedade de pós metálicos em um leito de pó e construir componentes com formas geométricas complexas por meio de fusão e empilhamento camada por camada. Portanto, é considerado um caminho potencial para a realização de componentes complexos de ligas de alta entropia. Em um processo convencional, um laser de alta potência se move ao longo de uma trajetória de varredura linear na superfície de uma fina camada de pó para formar uma pequena poça fundida de curta duração, que é então rapidamente resfriada e solidificada. Este processo geralmente é suficiente para um único metal ou liga simples para garantir o desempenho. No entanto, para ligas de alta entropia que requerem mistura completa de múltiplos elementos, o tempo de residência da poça fundida é muito curto e o fluxo interno é insuficiente, dificultando a dispersão uniforme dos vários componentes metálicos.

A solução proposta pela equipe do NIST refere-se diretamente ao processo de fluxo e agitação dentro da poça fundida: "agitar" ativamente a poça fundida de metal durante o processo de impressão para misturar vários elementos tão completamente quanto possível antes da solidificação. Em vez de modificar significativamente o equipamento no nível do hardware, eles optaram por replanejar o método de movimento do laser no nível do software, reescrevendo a tradicional trajetória de varredura em linha reta em um caminho de "loop" composto de minúsculas curvas elípticas fechadas, permitindo que o laser desenhe loops repetidamente em um espaço extremamente pequeno. Esta trajetória do laser equivale a transformar o laser de uma simples fonte de calor em uma "ferramenta de agitação" microscópica, criando convecção mais forte e efeitos de agitação dentro da poça fundida, forçando diferentes metais a serem misturados de forma mais completa e uniforme em um curto espaço de tempo. A equipe de pesquisa desenvolveu um novo software de caminho de ferramenta para gerar esses padrões complexos de digitalização elíptica porque o software comercial de impressão 3D de metal existente ainda não possui recursos semelhantes.

Para verificar a eficácia dessa ideia, os pesquisadores escolheram uma combinação de materiais extremamente difícil para o teste: colocar a liga refratária de alta densidade e alta entropia RHEA-19 e a liga leve de titânio lado a lado e deixar o laser fazer a varredura através da fronteira dos dois materiais ao longo de uma trajetória elíptica. As duas ligas têm diferenças distintas em densidade e propriedades térmicas. Eles são facilmente separados em fases sob condições convencionais de poça fundida e são difíceis de formar uma nova liga uniforme. Portanto, eles são muito adequados para “questões de exame rigoroso”. Com este arranjo, a equipe espera observar se a poça fundida pode misturar os dois materiais em uma nova liga uniforme na fronteira sob a ação da "agitação" do laser, em vez de apenas formar uma estrutura de duas fases com uma interface clara.

Para entender o que está acontecendo dentro da poça fundida, não basta observar a amostra solidificada após o fato, porque o processo de fusão e solidificação ocorre em uma escala de tempo inferior a um segundo, e o metal de alta densidade é opaco à luz visível, tornando difícil para os métodos de imagem convencionais "ver através" do interior. Para este fim, os pesquisadores confiaram na grande instalação de radiação síncrotron Advanced Photon Source (Advanced Photon Source) no Laboratório Nacional de Argonne. Este acelerador circular do tamanho de um estádio pode fornecer feixes de raios X extremamente brilhantes, adequados para penetrar amostras de metal e obter informações estruturais internas. A equipe usou a tecnologia de difração de raios X para registrar os padrões de dispersão dos raios X dentro do material em tempo real durante os processos de fusão e solidificação, a partir dos quais analisaram as trajetórias de evolução do arranjo atômico em diferentes estágios, e construíram uma imagem de série temporal da estrutura dinâmica da poça fundida. Ao mesmo tempo, eles também usaram microscópios eletrônicos para conduzir observações detalhadas do material solidificado final para confirmar se a estrutura da liga atingiu a uniformidade e o potencial de desempenho esperados.

Evidências experimentais mostram que a estratégia de "agitação" do laser melhora uma combinação de materiais que de outra forma seria difícil de misturar, com regiões limite formando novas estruturas de liga que são misturadas de maneira mais uniforme, em vez de simplesmente em camadas ou em pedaços. Mais importante ainda, a pesquisa mostra que o projeto do caminho do laser não afeta apenas a geometria de formação, mas também pode ser usado como um parâmetro chave do processo para controlar o método de formação da liga e promover a mistura de múltiplos elementos. Isto proporciona uma nova dimensão de controle para o desenvolvimento de novos sistemas de ligas utilizando métodos de fabricação aditiva. Em conjunto, a solução técnica proposta pela equipe usa a plataforma existente de fusão de leito de pó a laser para obter simultaneamente a preparação de matéria-prima de liga de alta entropia e a formação de peças finais complexas no mesmo processo por meio de controle de trajetória definido por software.

De uma perspectiva de longo prazo, o impacto deste trabalho vai além da impressão de uma certa liga “complicada” de alta entropia. Atualmente, a impressão 3D de metal geralmente depende de um único pó pré-ligado. Fazer diferentes ligas significa preparar uma variedade de pós correspondentes, o que é difícil em termos de custo, logística e adaptação do processo. A ideia de "mistura a laser" proposta pelo NIST aponta para outra possibilidade: colocar pós metálicos relativamente básicos no mesmo equipamento e misturá-los sob demanda dentro do equipamento por meio do caminho do laser e controle de parâmetros de processo, semelhante a uma impressora colorida que mistura algumas tintas para produzir cores ricas, tornando a plataforma de manufatura aditiva uma fábrica de ligas que integra "formulação" no local e formação no local. Uma vez realizadas aplicações maduras, os equipamentos de impressão podem não apenas reduzir os tipos de pó e os custos de estoque, mas também realizar o design gradiente de componentes dentro de uma única peça - por exemplo, usando fórmulas de liga mais resistentes ao calor em áreas de alta temperatura das pás da turbina, e usando fórmulas que equilibram resistência e densidade em áreas estruturais de suporte de carga ou de redução de peso, sem a necessidade de soldar ou conectar mecanicamente diferentes componentes de materiais.

É claro que esta tecnologia ainda está em fase de pesquisa e verificação e não é uma solução industrial pronta para uso. O comportamento dos diferentes sistemas de liga na poça fundida é muito diferente. A mixagem é apenas um elo. Em aplicações de engenharia, múltiplas variáveis, como tendência a trincas, defeitos nos poros, tensão residual, taxa de resfriamento, qualidade do pó e tratamento térmico subsequente também devem ser controladas simultaneamente. Além disso, o ecossistema de software comercial e os sistemas de controle de equipamentos também precisam ser acompanhados para dar suporte regular a esses complexos caminhos de ferramentas a laser e estratégias de mistura de ligas em cenários industriais. Resultados relevantes de pesquisas foram publicados na revista "Additive Manufacturing", fornecendo uma nova direção de processo com base empírica para a futura fabricação aditiva de ligas de alta entropia e peças estruturais complexas.