El internacional boliviano jugará hasta el final del año en calidad de cedido en el equipo carioca, que se reserva una opción de compra al terminar la temporada.
Martins Moreno, que también tiene la nacionalidad brasileña, firmará el contrato con su nuevo equipo en los próximos días, cuando será anunciado y presentado de forma oficial.
El delantero fue apartado del Gremio después de que se negara a ser traspasado al Palmeiras en un canje de jugadores por el argentino Hernán Barcos.
El año pasado Martins Moreno fue el máximo goleador del Gremio con 21 goles en toda la temporada, diez de ellos en la liga brasileña.
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Para el Flamengo, que atraviesa una profunda crisis financiera, este ha sido su principal fichaje de cara al Campeonato Brasileño, que comienza el próximo mayo.