Quais são as diferenças entre as ligas tradicionais e as ligas de alta entropia?

Introdução

As ligas tradicionais e as ligas de alta entropia (HEAs) são dois tipos de materiais usados em várias aplicações. Ambas são compostas de elementos metálicos, mas há várias diferenças importantes entre essas ligas. Neste artigo, exploraremos as diferenças entre as ligas tradicionais e as HEAs, incluindo sua composição, microestruturas, propriedades, aplicações e métodos de produção.

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Figura 1. Modelo automático de HEAs

Introdução às ligas tradicionais e às ligas de alta entropia

As ligas tradicionais combinam um elemento metálico com outros elementos metálicos ou não metálicos. Esses tipos de ligas reservam algumas propriedades do metal de base original e, ao mesmo tempo, alteram algumas características, como maior resistência ou ductilidade promovida.

Há uma grande variedade de elementos de liga que podem ser adicionados aos metais de base. O cromo é comumente adicionado para aumentar a resistência à corrosão das ligas; o tungstênio é um elemento de liga metálica usado para melhorar a resistência ao desgaste em altas temperaturas; enquanto a adição de carbono é frequentemente adicionada em ligas de aço e ferro fundido para aumentar a resistência.

As ligas de alta entropia referem-se a ligas que contêm 5 ou mais elementos principais, cada um com uma porcentagem atômica entre 5% e 35%. A inclusão de vários elementos resulta em uma estrutura complicada e em um efeito de alta entropia, o que gera propriedades físicas e mecânicas exclusivas da HEA em comparação com as ligas convencionais.

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Ligas tradicionais VS. Ligas de alta entropia

--Composição

As ligas tradicionais e as ligas de alta entropia têm composições de elementos diferentes. Por um lado, as ligas convencionais são normalmente compostas de dois ou três elementos metálicos em proporções variadas. Já as HEAs contêm pelo menos cinco elementos em proporções atômicas iguais ou aproximadamente iguais. Por outro lado, o metal de base nas ligas tradicionais representa a maior proporção, enquanto os elementos nas ligas de alta entropia ocupam proporções iguais ou quase iguais.

--Microestrutura

Diferentes composições resultam em diferentes estruturas. As ligas tradicionais normalmente apresentam uma microestrutura bem definida, como uma estrutura eutética ou dendrítica, enquanto as HEAs apresentam uma microestrutura desordenada e homogênea. A natureza desordenada das HEAs leva a uma distribuição aleatória de átomos, o que reduz a ocorrência de transformações de fase, mesmo em altas temperaturas.

--Propriedades

As ligas tradicionais apresentam uma variedade de propriedades, dependendo de sua composição e microestrutura. Por exemplo, algumas ligas tradicionais podem ser fortes, mas frágeis, enquanto outras podem ser dúcteis, mas com baixa resistência.

Por outro lado, as HEAs apresentam uma combinação superior de propriedades, incluindo alta resistência, ductilidade e estabilidade térmica, devido à sua microestrutura desordenada. Por exemplo, o VNbMoTaW é uma liga refratária notável com uma alta resistência ao escoamento de mais de 600 MPa (87 ksi), mesmo em uma temperatura de 1.400 °C, que pode até superar as superligas convencionais.

--Aplicações

As ligas tradicionais são materiais populares usados em várias aplicações, como automotivas, aeroespaciais e de construção.

Os HEAs, por outro lado, são uma classe relativamente nova de materiais que ainda estão sendo explorados quanto às suas possíveis aplicações. Eles se mostraram promissores em várias aplicações, incluindo aplicações termoelétricas de alta temperatura, revestimentos resistentes ao desgaste e materiais estruturais.

Por exemplo, os HEAs são aplicados no setor automobilístico para fabricar peças de motores, componentes de transmissão e outros equipamentos estruturais. Essas ligas também servem como materiais promissores para aplicações nucleares, graças às suas propriedades mecânicas de alta temperatura e resistência à radiação e à corrosão.

--Produção

O processo de preparação das ligas convencionais é relativamente simples, enquanto há várias abordagens para a produção de ligas de alta entropia.

As ligas tradicionais são normalmente produzidas usando métodos convencionais, como fundição, extrusão e forjamento. Em geral, o processo inclui fusão, mistura, solidificação e resfriamento.

No entanto, a produção de HEAs requer técnicas especializadas (veja a Figura 2) devido à sua composição e microestrutura complexas. A maioria deles é feita com fusão por arco e fusão por indução. O processamento em estado sólido emprega ligas mecânicas. O processamento em fase gasosa utiliza sputtering ou epitaxia de feixe molecular (MBE).

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Figura 2. Fabricação de HEA

Conclusão

Em suma, as ligas tradicionais e as ligas de alta entropia diferem em sua composição, microestrutura, propriedades, aplicações e métodos de produção. Enquanto as ligas tradicionais têm uma microestrutura e propriedades bem definidas, as HEAs oferecem uma combinação exclusiva de propriedades devido à sua microestrutura desordenada e homogênea. Os HEAs são uma classe promissora de materiais para várias aplicações e ainda estão sendo explorados em todo o seu potencial. A Stanford Advanced Materials (SAM) é um fornecedor confiável de ligas de alta entropia. Para obter mais informações, visite nossa página inicial.

Referências:

[1] High-entropy alloy (Liga de alta entropia). (2023, 5 de junho). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/High-entropy_alloy#See_also

[2] Zhang, Wei & Zhang, Yong. (2018). Science and technology in high-entropy alloys (Ciência e tecnologia em ligas de alta entropia). Science China Earth Science. 2-22.