Nanotecnologia no setor aeronáutico: Controlando a corrosão do alumínio com nanomateriais

Renato Altobelli Antunesᵃ,*, Ana Beatriz Vieira Gomesᵃ, Leandro Souza Dominguesᵇ, Oscar Mauricio Prada Ramírezᵇ, Hercilio Gomes de Meloᵇ, Mara Cristina Lopes de Oliveiraᵃ

ᵃ Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS), Universidade Federal do ABC (UFABC), Avenida dos Estados, 5001, Santo André, 09280-560, Brasil

ᵇ Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Av. Prof. Mello Moraes 2463, Universidade de São Paulo (USP), Cidade Universitária, Butantã, São Paulo, 05508-030

Resumo

A combinação de leveza (baixa densidade) e alta resistência a tensões mecânicas torna as ligas de alumínio materiais interessantes para uso em estruturas de aviões. Nesse tipo de aplicação as peças podem ser submetidas a um tratamento de superfície chamado de anodização, no qual é propositalmente oxidada para que uma camada superficial espessa de óxido de alumínio seja formada, fornecendo proteção contra corrosão. Essa capacidade de proteção pode ser melhorada pela adição de materiais nanoestruturados à camada anodizada. O óxido de grafeno, uma nanoestrutura à base de carbono, pode ter um papel importante no aprimoramento da resistência à corrosão do alumínio anodizado. Neste trabalho foi desenvolvida uma camada anodizada para a liga de alumínio 2024-T3 (Al-Cu-Mg), com adição de óxido de grafeno em diferentes concentrações. O efeito da adição do óxido de grafeno sobre a resistência à corrosão do material foi analisado ao longo de 168 h de imersão em solução salina. A tecnologia se mostrou promissora para o aumento da capacidade de proteção contra corrosão de camadas anodizadas sobre a liga 2024-T3.

Palavras-chave: liga de alumínio 2024-T3; anodização; corrosão; óxido de grafeno.

Abstract

The combination of low weight and high mechanical strength makes aluminum alloys attractive materials for aircraft structural components. In this application, the alloy may be subjected to a surface treatment known as anodization, in which it is intentionally oxidized to form a thick aluminum oxide layer that protects the underlying metal against corrosion. The protection ability can be improved when nanostructured materials are added to the anodized layer. Graphene oxide, one type of carbon nanostructure, can play an important role in the enhancement of the corrosion resistance of anodized aluminum. In this work, an anodized layer with the incorporation of different concentrations of graphene oxide was developed for the 2024-T3 (Al-Cu-Mg) alloy. The effect of graphene oxide addition on the corrosion resistance of the alloy was evaluated up to 168 h of immersion in a saline solution. The results showed that this is a promising technology to increase the corrosion protection ability of anodized layers on the 2024-T3 alloy.

Keywords: 2024-T3 Al alloy; anodization; corrosion; graphene oxide.

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ORCID ID: 000-0003-1540-6495 (Renato Altobelli Antunes)

Como são as ligas de alumínio usadas em aplicações aeronáuticas?

Ligas de alumínio têm sido utilizadas em estruturas de aviões há cerca de 100 anos, atraindo interesse por sua baixa densidade (2,7 g.cm-3) e resistência mecânica adequada [1], o que possibilita redução de peso da aeronave e economia de combustível [2]. A liga 2024 (Al-Cu-Mg) é o material padrão para aplicações em estruturas da asa e da fuselagem [3]. A resistência mecânica elevada é conseguida por meio do tratamento termomecânico da liga. No procedimento, há um aquecimento inicial por determinado intervalo de tempo a temperaturas próximas a 500°C seguido por resfriamento rápido em água (têmpera). Então, a liga é submetida ao tratamento T3, que consiste na aplicação de deformação mecânica (trabalho a frio: laminação, forjamento ou extrusão), seguida de exposição do material a temperatura ambiente por determinado intervalo de tempo (envelhecimento natural). Nesta etapa são formadas nanopartículas que contêm alumínio, cobre e magnésio, ficando distribuídas na matriz e aumentando a resistência mecânica [4].

A corrosão do alumínio nas aplicações aeronáuticas e como evitar o problema

As partículas ricas em cobre formadas no tratamento térmico da liga 2024-T3 aumentam sua resistência mecânica, mas também a tornam propensa à corrosão [5]. A forma de corrosão tipicamente encontrada nesta liga é a corrosão por pite, caracterizada por um pequeno ponto de corrosão com profundidade maior que o diâmetro. Este ponto de corrosão pode dar origem a trincas ao longo do uso da liga nas estruturas aeronáuticas, as quais podem causar falhas mecânicas, com acidentes graves já relatados ao longo da história [6].

Uma das maneiras mais comuns de reduzir o problema de corrosão das ligas de alumínio de uso aeronáutico é o tratamento de sua superfície por meio da anodização. A técnica de anodização é um processo eletroquímico amplamente utilizado na indústria que consiste em espessar a camada de óxido de alumínio naturalmente formada, por meio da aplicação de um potencial anódico em banhos com composições apropriadas [7]. Nessa condição, a camada de óxido atua como barreira ao meio corrosivo e retarda os efeitos da corrosão. Para a sua formação, o alumínio é imerso em uma solução ácida (eletrólito) à base de ácido sulfúrico, crômico ou de misturas de ácidos orgânicos e inorgânicos. O metal é conectado eletricamente ao polo positivo de uma fonte de tensão variável para controle da corrente ou tensão elétrica (processo de oxidação eletrolítica). O tempo, a temperatura, a tensão e corrente elétrica, além da composição do banho e da concentração das espécies químicas nele presentes são os principais parâmetros que determinam as propriedades finais da camada de óxido [8].

O papel da nanotecnologia na proteção contra corrosão das ligas de alumínio aeronáuticas

Entretanto, a proteção contra corrosão fornecida pela camada anodizada pode ser comprometida ao longo do tempo de uso do material. Isso ocorre por algumas características típicas e inevitáveis do tratamento de anodização, tais como a presença de poros e microtrincas na camada de óxido que é formada [9]. Recentemente, a nanotecnologia trouxe novos atores para participar desta cena, criando condições inéditas para enfrentar os desafios que a corrosão coloca para a utilização segura das ligas de alumínio anodizadas na indústria aeronáutica [10]. O grafeno e, mais especificamente, um de seus produtos derivados, o óxido de grafeno, têm atraído forte interesse científico na área de tratamentos para proteção contra corrosão. No caso de processos de oxidação eletrolítica como a anodização, esses materiais nanoestruturados podem ser adicionados ao banho com o principal objetivo de melhorar a capacidade de barreira da camada de óxido, preenchendo poros e trincas [11]. No caso das ligas de alumínio, informações sobre a dispersão do óxido de grafeno no eletrólito de anodização, sua relação com a porosidade do filme anodizado e seus efeitos sobre o comportamento de corrosão são ainda pouco conhecidas.

Baseado nisso, este projeto, financiado pelo CNPq e com a participação de pesquisadores da UFABC e da USP, tem por objetivo estudar o efeito da concentração de óxido de grafeno no banho eletrolítico utilizado para anodização da liga de alumínio 2024-T3 sobre sua resistência à corrosão em solução salina. Neste artigo serão apresentados a metodologia para desenvolvimento da pesquisa, os resultados obtidos até o momento, assim como as perspectivas futuras.

Desenvolvimento da pesquisa

O primeiro passo foi realizar a anodização da liga 2024-T3 empregando como solução eletrolítica uma mistura de ácido sulfúrico e ácido tartárico. O processo é ilustrado na Figura 1.

Figura 1. Representação do tratamento de anodização da liga 2024-T3.

O tempo de tratamento (20 min) e a tensão elétrica fixa (14 V) utilizada foram definidos com base em trabalho anterior do grupo [12]. O tratamento foi realizado a temperatura ambiente. O óxido de grafeno foi adicionado ao banho de anodização nas concentrações de 0,125 g/L, 0,25 g/L e 0,50 g/L. As amostras anodizadas possuíam dimensões de 2 cm x 2 cm, com espessura de 1 mm. Após a anodização, a resistência à corrosão foi analisada utilizando uma técnica eletroquímica que emprega uma tensão alternada com sinal senoidal de pequena amplitude (± 10 mV) para que uma pequena corrente alternada circule na superfície da amostra, medindo-se, então, a impedância do metal colocado em uma solução salina (NaCl, 3,5% em massa). Essa técnica é chamada de espectroscopia de impedância eletroquímica e pode ser usada para monitorar a evolução do processo corrosivo ao longo do tempo de imersão, sendo considerada não-destrutiva. A montagem experimental pode ser observada na Figura 2, a qual consiste em um recipiente (célula eletroquímica) que contém a solução salina usada nos experimentos de corrosão, além da amostra (eletrodo de trabalho), um eletrodo auxiliar (fio de platina) e um eletrodo de referência (Ag/AgCl). O tempo total de imersão foi de 7 dias (168 h). A impedância foi determinada como metodologia para comparação da resistência à corrosão das diferentes amostras.

Figura 2. Ilustração da montagem experimental utilizada nos experimentos de espectroscopia de impedância eletroquímica.

Que respostas foram obtidas?

Na Figura 3 é apresentada a evolução da resistência à corrosão (avaliada pelo valor do módulo da impedância para uma frequência fixa de 0,01 Hz) para a liga 2024-T3 anodizada no banho sem e com as diferentes concentrações de óxido de grafeno. A adição do nanomaterial aumentou a resistência à corrosão para todas as concentrações testadas no período inicial de 4 h de imersão, indicando uma melhora nas propriedades protetivas da camada barreira da liga na presença do grafeno. Na medida em que o tempo de imersão aumentou observou-se uma diminuição na resistência das amostras, atingindo valores de módulo de impedância próximos, da ordem de 104 Ohm cm2, após 168 h. Dentre as condições investigadas, a amostra anodizada na presença de 0,25 g/L de óxido de grafeno foi a que apresentou a melhor resposta ao longo dos diferentes tempos de imersão. De modo geral, os experimentos eletroquímicos demonstraram um efeito benéfico da modificação do banho de anodização com óxido de grafeno sobre a resistência à corrosão da liga de alumínio 2024-T3.

Figura 3. Comparação da resistência à corrosão, avaliada pelo módulo de impedância para uma frequência de 0,01 Hz, da liga de alumínio 2024-T3 anodizada em banho sem e com diferentes concentrações de óxido de grafeno, durante imersão por até 7 dias (168 h) em solução salina.

Qual a contribuição da pesquisa para a sociedade?

A pesquisa mostra caminhos para a obtenção de superfícies mais resistentes à corrosão para as ligas de alumínio de uso aeronáutico, contribuindo, assim, para a segurança e melhora de seu desempenho. Além disso, do ponto de vista tecnológico, amplia as aplicações de materiais nanoestruturados, explorando seu potencial em questões práticas da engenharia e trazendo novas perspectivas para o setor de tratamento de superfícies de ligas leves.

Quais os próximos passos da pesquisa?

Além da resposta eletroquímica, é importante compreender como o óxido de grafeno altera a microestrutura da camada anodizada, sua porosidade e espessura. A análise das amostras por meio de técnicas de microscopia será realizada para correlacionar estas características da camada anodizada com a resistência à corrosão. O efeito da temperatura do tratamento de anodização sobre a resistência à corrosão da liga 2024-T3 também será analisado. Questões adicionais serão também exploradas, tais como: O óxido de grafeno afeta a resistência mecânica da camada anodizada? Como a concentração do óxido de grafeno no banho de anodização se relaciona com sua distribuição na camada? Medidas de nanodureza e de resistência ao desgaste serão realizadas para investigar esses efeitos. Por fim, as condições de anodização mais promissoras para o uso prático no tratamento da liga 2024-T3 serão identificadas.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq (processo 406291/2022-5) pelo apoio financeiro para execução do projeto.

Referências

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Artigo da Edição 40 do Informativo PesquisABC.