Compartilhamento Técnico: Fabricação e Aplicações de Ligas de Cobre de Alta Temperatura, Alta Resistência e Alta Condutividade [[Conferência de Cobre SMM]]

Publicado: Apr 30, 2025 16:21

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**Tradução em Português**:

Em 24 de abril, durante o **CCIE-2025 SMM (20ª) Conferência e Exposição da Indústria do Cobre – Fórum de Desenvolvimento de Alta Qualidade para Novos Materiais à Base de Cobre**, organizado conjuntamente pela **SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM)**, **SMM Metal Exchange Center** e **Shandong AIS Information Technology Co., Ltd.**, com a **Jiangxi Copper Corporation** e a **Yingtan Port Holding Co., Ltd.** como patrocinadoras principais, a **Shandong Humon Smelting Co., Ltd.** como co-organizadora especial e o **Xinhuang Group** e a **Zhongtiaoshan Nonferrous Metals Group Co., Ltd.** como co-organizadoras, o **Prof. Chang Yongqin, orientador de doutorado da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim**, compartilhou insights sobre a fabricação e as aplicações de ligas de cobre resistentes a altas temperaturas, de alta resistência e alta condutividade.

**Desafios e Status Atual da Indústria**
**Aplicações de Ligas de Cobre de Alta Resistência e Alta Condutividade**
As ligas de cobre de alta resistência e alta condutividade combinam alta resistência com excelente condutividade elétrica/térmica. São principalmente utilizadas em eletrônicos, aviação, aeroespacial, veículos elétricos novos (NEVs), ferrovias de alta velocidade, transmissão de energia e outros campos.

**Desafios e Status Atual da Indústria**
**Pontos Problemáticos**: As ligas comerciais de cobre de alta resistência e alta condutividade existentes apresentam quedas significativas na resistência, tenacidade à fratura e deformação por fluência a altas temperaturas, não atendendo aos requisitos de serviço.

**Necessidades Críticas**: Os rápidos avanços em dispositivos de fusão nuclear, cristalizadores de fundição contínua, quadros de chumbo de circuitos integrados (ICs), conectores de NEVs, fios de contato de ferrovias de alta velocidade e revestimentos de câmaras de combustão de foguetes exigem urgentemente melhor desempenho a altas temperaturas dessas ligas, representando um desafio de "gargalo".

**A. Nenhum Material Atende aos Requisitos de Projeto**
**Requisitos de Desempenho**: Alta resistência, condutividade térmica, alongamento, estabilidade térmica, resistência à irradiação de nêutrons e baixa retenção de trítio.
**Ponto Problemático**: Temperaturas de serviço elevadas causam reduções drásticas na resistência, tenacidade à fratura e deformação por fluência grave, não atendendo às necessidades de projeto dos componentes.

**B. Produtos Existentes Necessitam de Atualizações**
**Necessidades de P&D**: Desenvolvimento de ligas de cobre com alta resistência, condutividade térmica, estabilidade e resistência à fluência a altas temperaturas.
**Ponto Problemático**: Correntes crescentes nos conectores de NEVs aumentam o aquecimento do material e as temperaturas de operação, levando à degradação do desempenho da liga e à deformação por fluência, que não podem atender às demandas de serviço.

**Demanda Projetada**: A demanda doméstica por ligas de cobre para conectores de NEVs deverá atingir **291 mil toneladas** até 2025, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 21,9% de 2021 a 2025. Apenas os conectores de NEVs exigirão **247 mil toneladas** de ligas de cobre até 2025.

**Requisitos**: Alta condutividade elétrica e desempenho antienvelhecimento a altas temperaturas são fundamentais para garantir operação confiável, segurança, vida útil prolongada, eficiência e redução de custos.

**Processo de Fusão para Ligas de Cobre Resistentes a Altas Temperaturas, de Alta Resistência e Alta Condutividade**
**Clientes Potenciais**: Divertores de reatores de fusão, cristalizadores de fundição contínua, revestimentos de câmaras de combustão de foguetes, conectores de NEVs, quadros de chumbo de ICs e eletrodos de soldagem por resistência.

**Avanços em P&D**: A liga desenvolvida atende à necessidade urgente de materiais dissipadores de calor de alto desempenho em reatores de fusão e oferece amplas aplicações em indústrias como cristalizadores, revestimentos de foguetes e NEVs, com significativo potencial de mercado.

**Tecnologias-Chave**:
1. Controle preciso da volatilização/perda de elementos através de parâmetros otimizados de fusão a vácuo.
2. Processamento termomecânico adaptado à composição para controle da microestrutura/desempenho.
3. Design inovador de molde "multi-riser" para melhorar o rendimento.

**Vantagens da Otimização da Composição**
**Objetivo**: Alcançar alta resistência, condutividade elétrica/térmica e plasticidade adequada a altas temperaturas.
**Desafio**: Equilibrar resistência e condutividade elétrica/térmica.
**Solução**: Design de composição e processamento termomecânico para impedir o movimento de dislocações/limites de grãos, garantindo microestrutura e desempenho estáveis a altas temperaturas.

**Inovações**:
1. **Elementos de liga multifuncionais**: Alta solubilidade a altas temperaturas no cobre, precipitação a baixas temperaturas de fases de alto ponto de fusão, energia de falha de empilhamento reduzida (promovendo geminação).
2. **Acoplamento de elementos**: Adições combinadas de V e Ti formam fases Laves estáveis, melhorando o desempenho a altas temperaturas enquanto minimizam a perda de condutividade.
3. **Adições de óxidos de terras raras**: Interações multicomponentes fortalecem, endurecem e purificam a liga.
4. **Refinamento da segunda fase**: Nanoprecipitados bimodais formam estruturas coerentes/semicoerentes com a matriz, bloqueando dislocações; fases Laves uniformemente distribuídas nos limites de grãos impedem o movimento dos grãos.
5. **Limites de grãos de baixa Σ**: A introdução de limites de baixa Σ (rede de sites coincidentes) melhora a usinabilidade e a plasticidade.

**Melhoria sinérgica da resistência a altas temperaturas e condutividade térmica alcançada.**

**2.1 Liga de Cobre Resistente a Altas Temperaturas, de Alta Resistência e Alta Condutividade – CuCrZrTiV**
- **Desempenho a altas temperaturas**: Temperatura de serviço excede C18150 em 100°C; vida útil a 450°C é 9× maior.
- **Fragilidade a temperaturas médias resolvida**.
- **Excelente resistência à irradiação**: Após irradiação com íons de Cu de 3 dpa, apenas tetraedros defeituosos de 5 nm e loops de dislocação de 3,5 nm observados.
- **Taxa de fluência a 450°C/50 MPa: 2,89×10⁻¹⁰ s⁻¹; resistência à tração a 450°C: 371 MPa (14,6% de alongamento); condutividade térmica >300 W/m·K; estabilidade térmica superior à IG-CuCrZr.**

Outras ligas discutidas: CuCrZrHf (anti-fluência) e CuHfSc (ultra-alta condutividade).

**Tecnologias-Chave Dominadas**
**Produtos-Chave**: Ligas de cobre resistentes a altas temperaturas, de alta resistência e alta condutividade.
**Validação**: Produção e testes em lote de 50 kg concluídos; implantadas no ITER e em cristalizadores de fundição contínua.

**Processo de Metalurgia do Pó para Ligas Resistentes a Altas Temperaturas**
**3.1 Liga Cu-W de Ultra-Alta Resistência**
- Resistência à tração à temperatura ambiente ≥795 MPa; resistência a 450°C ≥289 MPa; temperatura de amolecimento >1050°C (próximo ao ponto de fusão do cobre); sem degradação de dureza após recozimento a 700°C/400 h.
**Inovação**: Alcançou resistência recorde (795 MPa) com excelente estabilidade térmica.

**3.2 Liga Ta-Série de Ultra-Alta Temperatura**
- Temperatura de amolecimento de CuTaZrY excede 850°C (linha de base GlidCop-Al15) em ≥200°C.
**Mecanismo de Estabilidade**: Nanoprecipitados bimodais de casca-núcleo fixam limites de grãos e dislocações.

**Conclusões**
1. **Liga CuCrZrTiV**: Resistência à tração a 450°C atinge 395 MPa (superando IG-CuCrZr), com temperatura de amolecimento a 600°C (200°C maior que IG-CuCrZr) e fragilidade a temperaturas médias resolvida.
2. **Liga CuCrZrHf**: Equilibra estabilidade térmica, condutividade e resistência à fluência.
3. **Liga CuHfSc**: Resistência à temperatura ambiente de 623 MPa, condutividade de 95% IACS.
4. **Liga Cu-W**: Resistência de 795 MPa (a mais alta relatada) com ductilidade e condutividade superiores às ligas de cobre PM existentes.
5. **Liga CuTaZrY**: Maior temperatura de amolecimento relatada (>1050°C), 200°C acima de GlidCop-Al15, com alta resistência e condutividade térmica.

**Veja o Relatório Especial da CCIE-2025 SMM (20ª) Conferência e Exposição da Indústria do Cobre**

Declaração sobre a Fonte de Dados: Com exceção das informações publicamente disponíveis, todos os demais dados são processados pela SMM com base em informações publicamente disponíveis, comunicação de mercado e com base no modelo de base de dados interna da SMM. São apenas para referência e não constituem recomendações para a tomada de decisão.

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