Reparação de metal à temperatura ambiente com uma liga reativa

Os investigadores demonstraram que uma mistura metálica pode reagir e endurecer à temperatura ambiente, transformando-se num sólido tão resistente como ligas convencionais, sem necessidade de aquecimento de elevado consumo energético.

Essa descoberta substitui a fabricação intensiva em calor por um processo de baixo consumo energético capaz de reconstruir metal danificado sem recorrer a fornos.

Prova em cobre na reparação de metal à temperatura ambiente

Na peça de ensaio, um furo com cerca de 1,8 cm de largura tinha retirado ao metal a maior parte da sua capacidade de suportar carga.

Partindo dessa falha, Yong He, da Universidade de Zhejiang (ZJU), e colegas pressionaram uma pasta reativa para dentro da cavidade.

Na ZJU, ele e a sua equipa mostraram que a pressão fixava a reparação ao cobre envolvente, em vez de deixar um enchimento fraco.

Esse resultado fez com que o material parecesse menos um truque de laboratório e mais uma via de reparação digna de ser levada a sério.

Uma cura química

Em vez de fundir tudo em conjunto, a formulação começou com pó de cobre e um líquido de gálio-índio que permanecia fluido ao ar livre.

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

Assim que os átomos começaram a atravessar esse limite, formaram-se no local novos compostos de cobre-gálio e a pasta endureceu sem aquecimento externo.

Foi por isso que a equipa lhe chamou “liga do tipo betão”, um nome adequado porque a mistura desencadeava a cura em vez de depender de um forno.

A pressão fecha os poros

Um problema surgiu depressa, porque a reação também produziu hidrogénio que podia ficar retido em pequenos poros.

Para corrigir isso, a equipa recorreu à prensagem isostática a frio, um método que comprime de forma igual a partir de todos os lados, depois de a liga solidificar.

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

Menos espaço vazio significou menos pontos fracos, preparando o salto na rigidez e na dureza que se seguiu.

A resistência sobe rapidamente

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

Depois da prensagem, a nanodureza, resistência a uma pequena ponta a empurrar para dentro, subiu para cinco GPa, enquanto a rigidez atingiu 150 GPa.

A pressão também aumentou a rigidez de forma acentuada, mostrando que o mesmo material se tornou mais robusto depois de os defeitos serem comprimidos.

Esses valores ajudam a explicar por que razão as zonas reparadas superaram o cobre comum na superfície, em vez de se limitarem a preencher espaço.

Resistir à corrosão

A resistência, por si só, não chegaria, porque os metais de reparação também falham quando a água, o sal ou substâncias reativas os atacam.

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

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

Esse equilíbrio é importante para reparações reais, já que o equipamento industrial enfrenta ambientes adversos muito antes de chegar a uma máquina de teste.

Acrescentar reforços extra

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

As fibras de carbono ajudaram a travar a propagação de fissuras, enquanto o MXene reagiu de forma mais ativa na interface e aderiu com maior firmeza.

Essa diferença apareceu nos testes, onde as superfícies reforçadas com MXene atingiram 10 GPa e revelaram uma distribuição de poros mais uniforme.

Uma estrutura interna mais limpa significou que a fase adicionada melhorou toda a zona reparada, e não apenas a pele exterior.

Peças partidas recuperam

Em peças completas, os cilindros reparados deformaram-se de forma muito semelhante aos intactos, em vez de colapsarem num esmagamento irregular.

Os testes em pequena escala mostraram que a região reparada atingiu cerca de dois GPa na superfície, face a 0.5 GPa na zona padrão.

A microscopia continuou a detetar poros, mas estes eram pouco profundos o suficiente para que o comportamento geral à compressão se mantivesse próximo do normal.

Essa combinação de resistência e tolerância é importante, porque as reparações industriais raramente acontecem em metal perfeitamente limpo e sem falhas.

Porque é que o calor dominou

A fabricação tradicional de ligas depende, em geral, de fornos ou sistemas de laser que gastam enorme energia apenas para quebrar antigas ligações metálicas.

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

Este novo estudo respondeu a esse problema ao combinar cura química com pressão e reforço, em vez de confiar apenas no calor.

Essa combinação pode ser especialmente relevante onde o combustível é limitado, as janelas de reparação são curtas ou o processamento a quente poderia danificar as peças próximas.

Os limites ainda contam

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

Os investigadores disseram que uma melhor ventilação durante a prensagem deverá reduzir ainda mais esses defeitos, sobretudo antes de o material endurecer por completo.

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

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

Para onde isto aponta

A reparação de metal à temperatura ambiente parecia irrealista até aqui, quando química, pressão e reforço funcionaram em conjunto como um único sistema de fabrico.

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