Como os elementos de liga afetam as propriedades das ligas de titânio?

O titânio possui duas formas alotrópicas: o titânio alfa, de estrutura hexagonal compacta, é estável abaixo de 882 °C, enquanto o titânio beta, de estrutura cúbica centrada no corpo, é estável acima de 882 °C. O titânio tem densidade de 4,51 g/cm³, mantém alta resistência específica até aproximadamente 550–600 °C, resiste à corrosão por meio de camadas estáveis de óxido e nitreto e mantém resistência, ductilidade e tenacidade úteis à temperatura do nitrogênio líquido. Sua condutividade térmica é cerca de um quarto da do ferro, e seu módulo de elasticidade é cerca de 54% do do ferro.

Finalidade da liga de titânio

A liga controla a composição, a estabilidade e as propriedades das fases alfa e beta. Elementos com concentração de elétrons inferior a 4 tendem a estabilizar a fase alfa; aqueles com concentração acima de 4, a fase beta; e aqueles com concentração próxima a 4 podem estabilizar ambas. Entre os aditivos importantes estão Al, Sn, Zr, V, Mo, Mn, Fe, Cr, Cu e Si.

• Estabilizadores alfa, como o Al, aumentam a temperatura de transformação e ampliam o campo alfa.
• Estabilizadores beta, como o Mo, reduzem a temperatura de transformação e ampliam o campo beta.
• Elementos neutros têm pouco efeito sobre a temperatura de transformação e se dissolvem substancialmente em ambas as fases.

Quatro tipos típicos de sistemas binários

1. Sistemas peritectóides e formadores de compostos: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N e Ti-O. Os amplos campos de solução sólida alfa de Ti-Al, Ti-Sn e Ti-Ga são importantes para ligas resistentes ao calor.
2. Solubilidade contínua na fase beta e solubilidade limitada na fase alfa: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta e Ti-Mo. Esses elementos de estrutura cúbica de corpo centrado estabilizam a fase beta. Em uma concentração crítica, o resfriamento rápido pode manter a fase beta completamente até a temperatura ambiente.
3. Sistemas eutectoides: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi e Ti-W. Cu, Si e H são estabilizadores beta eutetóides ativos e podem proporcionar endurecimento por envelhecimento; Fe, Mn e Cr se transformam lentamente o suficiente para que as estruturas alfa-beta possam permanecer após o resfriamento normal.
4. Soluções sólidas contínuas de alfa e beta: Ti-Zr e Ti-Hf. O Zr reforça a fase alfa e é amplamente utilizado; o Hf é denso, escasso e menos prático.

Portanto, um projeto eficaz de liga implica a escolha dos tipos de elementos e aditivos necessários para obter o equilíbrio de fases, as propriedades mecânicas e a resposta ao processamento desejados.