Processamento de metal por microgravidade: de líquidos sub-resfriados a vidros metálicos a granel
npj Microgravidade volume 1, Número do artigo: 15003 (2015) Citar este artigo
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Os vidros metálicos a granel (BMGs) são uma nova classe de ligas metálicas que estão preparadas para ampla comercialização. Mais de 30 anos de financiamento da NASA e da ESA (bem como de outras agências espaciais) para experiências terrestres e de microgravidade resultaram em dados científicos fundamentais que permitiram a produção comercial. Esta revisão concentra-se na história da pesquisa em microgravidade do BMG, que inclui experimentos no ônibus espacial, na ISS, experimentos terrestres, fabricação comercial e esforços atualmente financiados.
Um dos grandes sucessos da pesquisa em microgravidade foi o desenvolvimento e comercialização de vidros metálicos a granel (BMGs), uma classe de ligas metálicas não cristalinas que ampliou a compreensão científica de líquidos, vidros e sólidos amorfos.1 Em comparação com ligas metálicas cristalinas convencionais , como aço, alumínio e titânio, os BMGs não são materiais bem definidos, pois as propriedades mecânicas de qualquer peça são difíceis de avaliar sem testes destrutivos, mesmo quando são utilizadas condições de processamento semelhantes. Por exemplo, a maioria dos metais cristalinos maduros podem ser fabricados utilizando procedimentos bem prescritos para formação de ligas, processamento, formação e envelhecimento, que resultam em microestruturas e propriedades mecânicas repetíveis. Em contraste, os BMGs são líquidos sub-resfriados que foram 'capturados' como um sólido amorfo por resfriamento rápido acima da temperatura liquidus até abaixo da temperatura de transição vítrea sem intervenção de cristalização. Este processo é dinâmico e em grande parte descontrolado, o que resulta num arranjo atômico único no vidro final. Devido à falta de cristais e grãos, os BMGs não exibem a mesma plasticidade baseada em discordâncias que os metais cristalinos, o que implica que as técnicas tradicionais de metalurgia para obter propriedades mecânicas uniformes e repetíveis não podem ser utilizadas. Em vez disso, as propriedades mecânicas dos BMGs são altamente dependentes do seu histórico de processamento, e caracterizá-los acima da temperatura liquidus é fundamental. Já na década de 1980, reconheceu-se que a compreensão do processamento de ligas metálicas formadoras de vidro seria crítica para o seu desenvolvimento como material de engenharia. Por exemplo, D Turnbull, de Harvard, argumentou que as impurezas no líquido e o contato com o recipiente eram responsáveis pela cristalização em vidros metálicos e que, ao fundir ligas em uma camada de óxido de boro, elas poderiam formar vidros volumosos com taxas de resfriamento mais lentas.2, 3 A partir destas experiências ficou claro que eram necessários métodos para estudar ligas metálicas formadoras de vidro, onde a fusão pudesse ser dissociada dos recipientes num ambiente livre de impurezas. Propriedades termofísicas fundamentais, como extensão de sub-resfriamento, calor específico, condutividade térmica, emissividade, condutividade elétrica, volume específico, densidade, viscosidade, tensão superficial e cristalização, entre outras, poderiam então ser obtidas a partir das ligas.
Para algumas ligas formadoras de vidro, esses dados foram obtidos em uma série de investigações de microgravidade a bordo do ônibus espacial da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) durante três missões durante a década de 1990 (STS-65, STS-83 e STS-94). Este estudo revisa alguns dos conhecimentos científicos fundamentais sobre vidros metálicos obtidos usando esses experimentos de microgravidade e como esses dados, em paralelo com a experimentação em solo, lançaram as bases para o campo de pesquisa mais amplo do BMG. Ele também discute alguns experimentos iniciais que demonstram a fabricação 'em órbita' de espumas BMG de células fechadas na Estação Espacial Internacional (ISS), analisa os atuais programas BMG financiados pela NASA para experimentos planejados na ISS (não incluindo muitos programas não financiados pela NASA programas com objetivos semelhantes) e analisa a história e o estado da arte atual da indústria comercial do BMG.