Como os elementos de liga reforçam as ligas de titânio?

As ligas de titânio são reforçadas por adições selecionadas que alteram o comportamento da solução sólida, a estabilidade de fase, a precipitação e a resposta ao tratamento térmico. O alumínio reforça principalmente a fase α; o vanádio e o molibdênio estabilizam e reforçam a fase β do titânio, enquanto o estanho e o zircônio contribuem para a resistência ao calor das ligas. As seções a seguir comparam esses efeitos com os do manganês, cromo, silício, cobre e elementos de terras raras.

Alumínio

Quase todas as ligas de titânio, com exceção do titânio comercialmente puro, contêm alumínio, principalmente para o fortalecimento por solução sólida. Cada 1% de alumínio, em massa, aumenta a resistência à tração à temperatura ambiente em cerca de 50 MPa. A solubilidade do alumínio no titânio é limitada a 7,5%. Acima desse limite, o Ti ordenado₃Al (α₂) se forma e afeta negativamente a ductilidade, a tenacidade e o comportamento à corrosão sob tensão; por isso, o uso do alumínio é geralmente restrito à liga 7%.

O alumínio melhora a resistência à oxidação, reduz a densidade e aumenta a temperatura de recristalização. A adição de 5% pode elevar a temperatura de recristalização de 600 °C, no caso do titânio puro, para 800 °C. Isso fortalece as ligações atômicas na solução sólida de titânio e melhora a resistência a altas temperaturas. Em ligas β tratáveis termicamente, cerca de 3% de alumínio pode suprimir a fase ω fragilizante produzida pela decomposição metável da fase β. O alumínio também aumenta a solubilidade do hidrogênio no α-Ti, reduzindo a suscetibilidade à fragilização relacionada ao hidreto.

Zircônio e estanho

O estanho, assim como o zircônio, é um elemento neutro e reforça efetivamente a solução sólida α sem reduzir substancialmente a ductilidade. Ele melhora a resistência à fluência e é importante nas ligas de titânio resistentes ao calor.

O zircônio apresenta alta solubilidade tanto no Ti-α quanto no Ti-β e é comumente adicionado junto com outros elementos para reforço suplementar. O zircônio e o estanho ajudam as ligas resistentes ao calor do tipo α puro a alcançar melhor resistência ao calor e à fluência, com menor perda de ductilidade do que o alumínio, proporcionando boa formabilidade e soldabilidade. O estanho também reduz a sensibilidade à fragilização por hidrogênio. Em concentrações excessivas, o Ti ordenado₃O Sn forma e reduz a ductilidade e a estabilidade térmica.

Vanádio e molibdênio

O vanádio é um elemento β-isomórfico com solubilidade ilimitada no titânio β e alguma solubilidade no titânio α. Ele reforça o material de forma mais eficaz do que o estanho, mantendo boa ductilidade, e pode melhorar a resistência à fluência e a estabilidade térmica.

O molibdênio também é β-isomórfico. Ele proporciona fortalecimento por solução sólida, melhora a usinabilidade a quente, a resistência à fluência e a estabilidade térmica, além de reduzir a tendência à fragilização por hidrogênio. O vanádio e o molibdênio são os estabilizadores da fase β mais amplamente utilizados. Eles fortalecem a fase β, reduzem a temperatura de transformação, aumentam a temperabilidade e melhoram a resposta ao tratamento térmico. As ligas de titânio que contêm qualquer um desses elementos não sofrem reação eutetóide e mantêm boa estabilidade estrutural em altas temperaturas. O vanádio, por si só, proporciona resistência à fluência apenas até cerca de 400 °C. O molibdênio é mais eficaz, mas aumenta a densidade e também melhora a resistência à corrosão, particularmente a resistência à corrosão intersticial em soluções de cloreto.

Manganês e cromo

O manganês e o cromo fortalecem e estabilizam fortemente a fase β e apresentam densidade menor do que o molibdênio ou o tungstênio. São amplamente utilizados em ligas β metaestáveis de alta resistência. Suas reações eutetoides lentas com o titânio podem reduzir a estabilidade a altas temperaturas a longo prazo e a resistência à fluência. A adição de um elemento β-isomórfico, especialmente o molibdênio, suprime essas reações.

Cobre

Parte do cobre se dissolve na fase α e parte forma TiCu₂, melhorando a estabilidade térmica e a resistência a altas temperaturas. Acima do limite de solubilidade, o envelhecimento pode produzir um fortalecimento por dispersão e aumentar substancialmente a resistência à temperatura ambiente e a temperaturas elevadas.

Silício

O silício melhora a resistência a altas temperaturas. Acima de cerca de 0,21 TP33T em massa, ele forma Ti₅Si₃ em ligas sem zircônio e (Ti₂(Zr)₅Si₃ em ligas que contêm zircônio. Esses silicetos melhoram a resistência à fluência, mas reduzem a estabilidade térmica. A alta temperatura eutetóide do silício, de 860 °C, contribui para a resistência ao calor; por isso, as ligas resistentes ao calor geralmente contêm cerca de 0,25% de silício, sem exceder a solubilidade máxima na fase α. Como os átomos de silício e titânio diferem muito em tamanho, o silício se segrega nas deslocações e impede seu movimento. Ele também aumenta a solubilidade do hidrogênio na fase β e reduz a tendência à fragilização por hidrogênio.

Elementos de terras raras

A adição de terras raras melhora a resistência ao calor e a estabilidade térmica. A oxidação interna forma terras raras finas e estáveis_xO_y partículas que proporcionam reforço por dispersão. Esse processo reduz a concentração de oxigênio na matriz e transfere o estanho para os óxidos de terras raras, ajudando a suprimir a fase α frágil₂ precipitação. Os elementos de terras raras também inibem fortemente o crescimento dos grãos β e refinam os grãos, melhorando as propriedades gerais.

O desenvolvimento de ligas de titânio está se voltando para sistemas multicomponentes altamente ligados. Os elementos de liga proporcionam fortalecimento por solução sólida, estabilizam as fases α ou β, melhoram a resposta ao tratamento térmico, suprimem efeitos prejudiciais e aumentam a resistência ao calor e à corrosão.