Reparação de metal à temperatura ambiente cria ligas resistentes sem fornos

Investigadores demonstraram que uma mistura metálica consegue reagir e endurecer à temperatura ambiente, formando um sólido tão resistente como as ligas convencionais, sem exigir aquecimento de elevado consumo energético.

Esta descoberta substitui o fabrico intensivo em calor por um processo de baixo consumo energético capaz de reconstruir metal danificado sem recorrer a fornos.

Prova no cobre

No interior da peça de ensaio, um orifício com cerca de 1,8 cm de largura tinha retirado ao metal grande parte da sua capacidade de suportar carga.

Partindo dessa falha, Yong He, da Universidade de Zhejiang (ZJU), e os seus colegas comprimiram uma pasta reactiva para dentro da cavidade.

Na ZJU, ele e a sua equipa demonstraram que a pressão fixava a reparação ao cobre circundante, em vez de deixar um enchimento frágil.

O resultado fez o material parecer menos um artifício de laboratório e mais uma via de reparação que merece ser levada a sério.

Uma cura química

Em vez de fundir todos os componentes, a fórmula começou com pó de cobre e um líquido de gálio-índio que se mantinha fluido ao ar.

O hidróxido de sódio funcionou como catalisador, uma substância que acelera uma reacção, ajudando o gálio a molhar o cobre e a espalhar-se pela sua superfície.

Quando os átomos começaram a atravessar essa fronteira, formaram-se no local novos compostos de cobre-gálio e a suspensão endureceu sem aquecimento externo.

Foi por isso que a equipa lhe chamou uma “liga tipo betão”, uma designação adequada porque a mistura desencadeava a cura em vez de um forno.

A pressão fecha os poros

Surgiu rapidamente um problema: a reacção também produzia hidrogénio, que podia ficar retido sob a forma de minúsculos poros.

Para o resolver, a equipa aplicou prensagem isostática a frio, um método que comprime de forma uniforme a partir de todos os lados, depois de a liga solidificar.

Após a prensagem, a porosidade desceu para 4.83%, e o material tornou-se cerca de 10% mais denso do que a versão impressa.

Menos espaço vazio significava menos pontos fracos, preparando o aumento posterior de rigidez e dureza.

A resistência aumenta depressa

Antes da prensagem, o material já se comportava como um metal estrutural, com nanodureza próxima de 1.2 GPa e rigidez próxima de 120 GPa.

Depois da prensagem, a nanodureza, isto é, a resistência à penetração de uma ponta minúscula, subiu para cinco GPa, enquanto a rigidez atingiu 150 GPa.

A pressão também elevou acentuadamente a rigidez, revelando que o mesmo material se tornou mais resistente depois de os defeitos serem comprimidos.

Estes valores ajudam a explicar por que motivo as zonas reparadas superaram o cobre comum à superfície, em vez de se limitarem a preencher espaço.

Resistência à corrosão

A resistência, por si só, não bastaria, pois os metais de reparação também falham quando são atacados por água, sal ou químicos reactivos.

Os ensaios de corrosão mostraram que a nova liga criava uma película passiva mais estável, uma fina camada superficial protectora, do que as ligas de cobre.

A sua resistência manteve-se mais elevada em soluções ácidas e alcalinas, embora as condições salinas continuassem a acelerar a corrosão em ambos os materiais.

Este equilíbrio é importante para reparações reais, já que o equipamento industrial enfrenta ambientes agressivos muito antes de chegar a uma máquina de ensaios.

Reforços adicionais

A equipa adicionou depois fibras de carbono e MXene, uma folha de carboneto em camadas, para levar a reparação mais longe.

As fibras de carbono ajudaram a impedir a propagação de fissuras, enquanto o MXene reagiu de forma mais activa na interface e criou uma ligação mais forte.

A diferença tornou-se evidente nos ensaios, nos quais as superfícies reforçadas com MXene atingiram 10 GPa e apresentaram uma distribuição de poros mais uniforme.

Uma estrutura interna mais limpa fez com que a fase adicionada melhorasse toda a zona reparada, e não apenas a camada exterior.

Peças danificadas recuperam

Em peças completas, os cilindros reparados deformaram-se de forma muito semelhante aos que não tinham danos, em vez de colapsarem sob compressão desigual.

Ensaios à pequena escala revelaram que a zona reparada atingiu cerca de dois GPa à superfície, face a 0.5 GPa na zona padrão.

A microscopia continuou a detectar poros, mas estes eram suficientemente pouco profundos para que o comportamento global à compressão se mantivesse próximo do normal.

Esta combinação de resistência e tolerância é importante, porque as reparações industriais raramente são feitas em metal perfeitamente limpo e sem defeitos.

Porque o calor dominava

A produção tradicional de ligas depende normalmente de fornos ou sistemas a laser que consomem enormes quantidades de energia apenas para quebrar as antigas ligações metálicas.

Um artigo anterior do mesmo grupo da ZJU já tinha demonstrado a impressão de ligas à temperatura ambiente, mas a resistência continuava a ser o principal desafio.

Este estudo mais recente resolveu esse problema ao combinar cura química, pressão e reforço, em vez de depender apenas do calor.

Esta combinação poderá ser mais relevante onde o combustível é limitado, as janelas de reparação são curtas ou o processamento a quente danificaria componentes próximos.

As limitações continuam a importar

Ainda assim, o processo não está concluído, porque o gás retido e a química residual do sódio ainda podem complicar o desempenho.

Os investigadores afirmaram que uma melhor ventilação durante a prensagem deverá reduzir ainda mais estes defeitos, sobretudo antes de o material endurecer totalmente.

Também serão necessários ensaios em condições de vácuo, baixa temperatura e alta pressão se a liga vier a sair do laboratório.

Estas lacunas não anulam o resultado, mas definem a fronteira entre um material engenhoso e um material fiável.

Para onde isto conduz

A reparação de metal à temperatura ambiente parecia irrealista até que, neste caso, química, pressão e reforço passaram a trabalhar em conjunto como um único sistema de fabrico.

Se a escalabilidade e a durabilidade se confirmarem, fábricas, equipas no terreno e até construtores fora da Terra poderão reparar metais estruturais com muito menos calor.