Development of Ti-Ni-based alloys for solid-state refrigeration

Abstract

Ligas com memória de forma são materiais atrativos no desenvolvimento de elementos elastocalóricos como alternativa de refrigeração sustentável. Graças à ocorrência de uma transformação martensítica induzida, efeitos calóricos significativos podem ser obtidos pela aplicação de carregamento mecânico nestas ligas no estado superelástico. Entretanto, o uso das tradicionais ligas binárias TiNi tem sua aplicação limitada por uma resistência à fadiga insatisfatória. Uma alternativa para obter ligas potenciais consiste no estudo de ligas de baixa histerese mecânica, uma vez que essa propriedade pode ser relacionada a um baixo acúmulo de danos durante ciclos superelásticos. A adição de certas quantidades de Cu no lugar de Ni resulta em ligas ternárias amplamente conhecidas por apresentar baixa histerese mecânica. Um quarto elemento de liga pode ser adicionado para otimizar as propriedades dessas ligas. Neste contexto, este estudo tem como objetivo desenvolver e caracterizar ligas no sistema Ti-Ni-Cu-Nb, visando a obtenção de uma liga promissora para aplicação como material elastocalórico. Depois de um estudo termodinâmico baseado no método de cálculo de diagramas de fases, ligas Ti52-xNi38Cu10Nbx, x = 4, 6, 8 e 10%at foram selecionadas para obtenção de frações significativas da fase TiNi com a precipitação de β-Nb. Estas ligas foram sintetizadas e o efeito do Nb na estabilidade de fases e sequência de solidificação foi discutido. As microestruturas como-fundidas consistem em uma matriz de TiNi, eutético TiNi/β-Nb e Ti2Ni. A formação de Ti2¬¬Ni foi associada ao processo solidificação devido ao enriquecimento de Ti no líquido enquanto a do eutético foi atribuída ao enriquecimento de Nb e empobrecimento de Ni. A evolução microestrutural durante diferentes rotas de processamento foi avaliada e a estabilidade das fases metaestáveis foi observada. Limitações durante laminação a quente foram atribuídas ao coalescimento e fusão parcial do Ti2Ni. Como alternativa para se obter uma microestrutura homogênea e refinada, o procedimento de re-fusão seguida de solidificação por sucção à vácuo foi acessada. Nesta condição, uma entalpia de transformação relevante e a convergência de ciclos superelásticos foram obtidas. A liga Ti-Ni-Cu-Nb produzida se mostrou tratável termicamente após processamento termomecânico adequado, possibilitando o ajuste das propriedades funcionais.