LIGAS Zn-Mg-(X) e Mg-Sn-(X) COMO MATERIAIS BIODEGRADÁVEIS ALTERNATIVOS: PARÂMETROS MICROESTRUTURAIS E COMPORTAMENTOS MECÂNICOS E À CORROSÃO (2018-ATUAL)

Coordenador: Amauri Garcia

Materiais metálicos com características biodegradáveis têm sido alvo de investigações sistemáticas objetivando sua aplicação na forma de implantes cirúrgicos temporários graças a uma combinação adequada de resistências mecânicas e à corrosão, e biocompatibilidade. O Zn é um metal biocompatível, biodegradável e bioabsorvível e essencial na nutrição humana. Apresenta ainda baixo ponto de fusão (420°C), boa resistência à corrosão e baixa reatividade no estado líquido, o que facilita sua fusão e processamento a quente. O Mg é um metal atóxico, biodegradável e biocompatível, no entanto suas ligas apresentam elevada taxa de corrosão em meios fisiológicos. Sabe-se que o Zn é um metal mais nobre que o Mg, e que a adição Mg em ligas de Zn afeta positivamente o comportamento mecânico e a resistência à corrosão. Por outro lado, a incorporação de Sn ao Mg permite o aumento das resistências mecânica e à corrosão, sendo que a formação do intermetálico Mg2Sn leva também ao aumento da resistência à fluência. Os comportamentos mecânico e eletroquímico das ligas Zn-Mg e Mg-Sn são influenciados diretamente por características microestruturais. Estudos experimentais enfatizando fatores relacionados à parâmetros da microestrutura, bem como sua correlação com propriedades mecânicas e químicas são escassos na literatura para ambos os sistemas de ligas. Além disso, a adição de terceiros elementos precisa ser investigada na busca de adequação de propriedades à aplicações como biomateriais Desse modo, um entendimento mais profundo da evolução microestrutural em função de propriedades de aplicação pode ser alcançado com o uso da técnica de solidificação unidirecional, a qual promove ampla faixa de valores experimentais de parâmetros térmicos em um único experimento, permitindo analisar características únicas como: tamanho de grão, sua macroestrutura, morfologia e escala das fases que compõem a microestrutura e distribuição de fases intermetálicas. Esses parâmetros microestruturais são determinantes das propriedades mecânicas e químicas finais, e que consequentemente estabelecem as condições prévias de processamento. No presente trabalho, pretende-se desenvolver uma análise detalhada da evolução microestrutural, por microscopias ótica e eletrônica, de diferentes composições de ligas Zn-Mg-(X) e Mg-Sn-(X) em condições transitórias de solidificação, correlacionando parâmetros térmicos da solidificação com parâmetros quantitativos da microestrutura e propriedades de aplicação. Amostras representativas de cada liga, com diferentes morfologias e escalas microestruturais, serão submetidas a ensaios de tração e de corrosão, e ensaios in vitro no sentido de se estabelecer correlações entre essas microestruturas e caraterísticas mecânicas e químicas apropriadas a aplicações como biomateriais.

MODELAGEM MATEMÁTICA DA SOLIDIFICAÇÃO E DA INTERAÇÃO DE LIGAS DO SISTEMA BI-ZN EM DIFERENTES SUBSTRATOS UTILIZADOS EM SOLDAGEM DE COMPONENTES ELETRÔNICOS (2017-2019)

Coordenador: Noé Cheung

Neste projeto finaciado pela FAPESP, objetiva-se desenvolver uma abordagem teórico-experimental para determinar o coeficiente de transferência de calor na interface liga/substrato (hi), correlacionando-o com a molhabilidade, além de caracterizar os intermetálicos formados pela interação metalúrgica nesta interface. Na abordagem teórica, o trabalho será baseado na extensão de um modelo matemático previamente desenvolvidos pelo proponente, adaptados às condições de solidificação de ligas Bi-Zn nos mencionados substratos, aplicando-se métodos inversos (IHCP - Inverse Heat Conduction Problem) para determinação de hi. Para a análise experimental, será utilizado um dispositivo de solidificação refrigerado à água em sua base constituída de níquel ou cobre ou Invar, com objetivo de impor taxas de resfriamento de mesma ordem de grandeza das obtidas pelo processo de soldagem eletrônica. O dispositivo de solidificação é devidamente instrumentado com sensores térmicos e um sistema de aquisição de temperatuas com objetivo de fornecer dados térmicos experimentais neessários ao método IHCP.

CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E DE PROPRIEDADES NA AVALIAÇÃO DE LIGAS PARA CONTATO TÉRMICO INTERFACIAL (2017-2019)

Coordenador: Amauri Garcia

O presente projeto, financiado pela FAPESP, tem como objetivo investigar uma lacuna de pesquisas identificada na literatura e relacionada a ligas para aplicações em interfaces térmicas. Serão estudadas técnicas de otimização via solidificação objetivando a programação microestrutural e de apropriadas propriedades de aplicação como resistências mecânica e à corrosão de ligas metálicas para interfaces térmicas de dissipação de calor, que fazem parte dos materiais conhecidos como TIM (Thermal Interface Materials). A demanda por maior capacidade de processamento em dispositivos eletrônicos tem aumentado a geração de calor impulsionado a busca por ligas TIM eficientes e livres de Pb. As condições de solidificação com as quais ligas TIM são depositadas sobre o substrato, para formarem juntas térmicas, ocorrem sob altas taxas de resfriamento e em regime transiente. Além do bom contato da liga com os substratos, exige-se da junta térmica resistência mecânica e à corrosão adequadas para manter os componentes acoplados e íntegro. Neste sentido, além dos ensaios de molhabilidade das ligas em diferentes substratos de interesse na indústria eletrônica, serão realizados ensaios de corrosão, e mecânicos de tração e dureza. Objetiva-se ainda aplicar uma abordagem teórico-experimental para determinar o coeficiente de transferência de calor na regi]ao da interface liga/substrato, correlacionando-o com a molhabilidade da liga, além de caracterizar os intermetálicos formados pela interação metalúrgica na interface TIM/substrato.

INTERRELATION OF THERMAL AND MICROSTRUCTURAL SOLIDIFICATION PARAMETERS AND CORROSION/TRIBOCORROSION BEHAVIOR OF ALLOYS FOR TRIBOLOGICAL, BIOMEDICAL AND SOLDER APPLICATIONS (2015-2017)

Coordenador: Amauri Garcia

O estudo, financiado pela FAPESP, objetivou desenvolver uma análise detalhada da evolução microestrutural (por meio de análises térmicas, caracterização via microscopias óptica e eletrônica de varredura)  de ligas Zn-Mg (composições de ambos os lados do diagrama de fases), ligas Al-Bi-(Sn) e Al-Sn-(Cu;Si) em diferentes composições, e de ligas eutéticas para soldagem Sn-Cu e Sn-Mg solidificadas direcionalmentes sob condições transientes. O estudo também almejou estabelecer leis de crescimento correlacionando parâmetros quantitativos da microestrutura com parâmetros térmicos de solidificação. Além disso, amostras representativas de cada liga analisada, que possuíam escalas microestruturais diferentes ( p. ex. espaçamento dendrítico ou interfásico), foram submetidas à ensaios de corrosão e tribocorrosão visando determinar correlações entre essas microestruturas e os respectivos comportamentos de corrosão e tribocorrosão. Os ensaios de tribocorrosão foram realizados no Centro Nacional de Investigaciones Metalurgicas - CENIM-CSIC - Madrid.

SOLIDIFICAÇÃO DE LIGAS TERNÁRIAS À BASE DE ALUMÍNIO E LIGAS PARA SOLDAGEM DE ALTA TEMPERATURA LIVRES DE CHUMBO (2015-ATUAL)

Coordenador: José Eduardo Spinelli

O objetivo da pesquisa e desenvolvimento em Engenharia de Materias é a otimização dos materiais e seu desempenho. Para alcançar este objetivo, é preciso melhorar o controle da microestrutura, estrutura dos grãos e segregação oriundas da solidificação, durante o processo de fabricação. De fato, os parâmetros de solidificação são responsáveis pelas propriedades finais do material. No presente projeto, finanaciado pela CAPES, busca-se aprimorar o conhecimento dos mecanismos fundamentais da solidificação de duas classes de novos materiais, os quais possuem aplicações de interesse atual e social, e compartilham questões-chave em melhorias do processo de solidificação: ligas livres de chumbo para aplicações em soldagem e ligas ternárias a base de Al para uso em propriedades tribológicas.

EFEITOS DE PARÂMETROS DA MICROESTRUTURA DE SOLIDIFICAÇÃO DE LIGAS MULTICOMPONENTES À BASE DE ALUMÍNIO (Al-Mg-Si; Al-Sn-Cu; Al-Zn-Mg) NAS RESISTÊNCIAS À DEGRADAÇÃO POR CORROSÃO E TRIBOCORROSÃO (2014-2016)

Coordenador: Amauri Garcia

Projeto financiado pela FAPESP no qual realizou-se uma análise detalhada da evolução microestrutural de diferentes composições de ligas Al-Sn-Cu; Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg solidificadas direcionalmente em condições transitórias. Inicialmente objetivou-se estabelecer leis de crescimento entre parâmetros quantitativos da microestrutura e parâmetros térmicos da solidificação. Na sequência, amostras de cada liga, com diferentes escalas microestruturais (p.ex. espaçamentos dendríticos e/ou interfásicos) foram submetidas a ensaios de corrosão e de tribocorrosão, no sentido de se estabelecer correlações entre essas microestruturas e desempenhos em corrosão e tribocorrosão.

MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO E RESISTÊNCIAS MECÂNICA E À CORROSÃO DE LiIGAS BINÁRIAS E TERNÁRIAS À BASE DE ALUMÍNIO (2012-2014)

Coordenador: Amauri Garcia

Projeto financiado pelo CNPq que desenvolveu uma análise teórico/experimental sobre a influência dos parâmetros térmicos da solidificação transitória de ligas Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Sn-Cu e Al-Sn-Si na definição da microestrutura, macrossegregação e estabelecer correlações com as resistências mecânica e à corrosão, contribuindo consequentemente com subsídios para um planejamento adequado de condições operacionais de solidificação vinculado a determinadas características de aplicação desejadas. Desenvolveu-se uma análise experimental envolvendo: solidificação unidirecional vertical ascendente e descendente de ligas Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Sn-Cu e Al-Sn-Si; determinação de parâmetros térmicos da solidificação transitória; estabelecimento de leis experimentais de crescimento dendrítico; levantamento de perfis de macrossegregação de soluto ao longo do comprimento dos lingotes; avaliação das resistências mecânica e à corrosão em função de espaçamentos dendríticos e/ou de outros aspectos morfológicos das fases formadoras da microestrutura de solidificação.

MODELAGEM NUMÉRICA DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM SISTEMAS DE FUNDIÇÃO COM GEOMETRIA CILÍNDRICA (2012-2015)

Coordenador: Noé Cheung

O projeto, financiado pelo CNPq, visou contribuir no estudo de rotinas de otimização tanto no caso dos sistemas de lingotamento estático quanto no de lingotamento contínuo em geometria cilíndrica: a determinação do coeficiente transitório de transferência de calor metal/molde para sistemas metal/molde de geometrias mais complexas; o efeito da forma de liberação do calor latente no intervalo da solidificação e técnicas de abordagem numérica que possam refletir com maior precisão os parâmetros térmicos nas posições finais de solidificação levando-se em conta a geometria e a dimensão da peça. Tais rotinas de otimização sãoferramentas inovadoras potenciais de auxílio na reprogramação das condições industriais de resfriamento em sistemas de lingotamento com vistas a evitar ou minimizar defeitos metalúrgicos.

CONTROLE DA ESTRUTURA, MACROSSEGREGAÇÃO e MICROSSEGREGAÇÃO de LIGAS METÁLICAS. INFLUÊNCIA DA CONVECÇÃO NATURAL E FORÇADA (2008 - 2010)

Coordenador: Amauri Garcia

O objetivo fundamental desse projeto, financiado pelo governo francês, consistiu em desenvolver correlações entre uma das pontas da cadeia produtiva de componentes via solidificação, ou seja, os aspectos operacionais do processo traduzidos em termos de suas variáveis térmicas, e a microestrutura formada, distribuição de produtos segregados, formação de poros e quando possível com as propriedades decorrentes como resistências mecânica e à corrosão. As atividades planejadas para a consecução desse objetivo foram divididas em 02 subprojetos centrados em aspectos da Solidificação Transitória: Variáveis Térmicas e Microestruturas Celulares e Dendríticas na Solidificação Transitória e Macrossegregação e Porosidade e 05 módulos de pesquisa que se complementam em termos de seus resultados.