As ligas de titânio alfa dependem do fortalecimento por solução sólida e refinamento de grãos, em vez do fortalecimento convencional por tratamento térmico. Este guia explica detalhadamente as composições totalmente alfa e quase alfa, o titânio CP, as estruturas equiaxiais e lamelares, as aplicações criogênicas e a 600 °C, os efeitos da taxa de resfriamento, o equilíbrio entre fluência e fadiga e a precipitação de alfa2 ou silicetos.
As ligas de titânio alfa contêm principalmente a fase alfa e são classificadas como totalmente alfa ou quase alfa. Com pouca ou nenhuma fase beta, elas não podem ser reforçadas por tratamento térmico convencional; a solução sólida e o refinamento de grãos são os principais mecanismos de reforço. Al, O, Zr, Sn e Si são adições importantes. O alumínio é geralmente mantido abaixo de 6% para limitar a fase alfa2 (Ti3Al) ordenada e frágil; o oxigênio proporciona forte reforço intersticial, mas reduz a ductilidade; e as ligas quase alfa utilizam silício para melhorar a resistência à fluência.
O titânio comercialmente puro (titânio CP) é comumente classificado internacionalmente como graus ASTM 1 a 4, mas esses graus servem apenas como um referencial geral, e não como substitutos diretos dos graus chineses.
| Classificação comum do titânio CP | Teor máximo de oxigênio | Módulo de elasticidade | Limite de escoamento | Resistência à tração | Alongamento |
|---|---|---|---|---|---|
| Grade 1 | 0.18% | 105 GPa | 170 MPa | 240 MPa | 24% |
| Grade 2 | 0.25% | 105 GPa | 275 MPa | 344 MPa | 20% |
| Grade 3 | 0.35% | 105 GPa | 377 MPa | 440 MPa | 18% |
| Grade 4 | 0.40% | 105 GPa | 480 MPa | 550 MPa | 15% |
As ligas totalmente alfa oferecem soldabilidade, resistência à corrosão, ductilidade, tenacidade em entalhe e uma temperatura de transição de dúctil para frágil tão baixa quanto −253 °C. Os grãos equiaxiais resultam do processamento alfa-beta seguido de recozimento de recristalização. A resistência acompanha o refinamento do tamanho dos grãos; para o tipo de CP com menor teor de oxigênio, a relação é: limite de escoamento = 231 MPa + 10,5d−1/2. O resfriamento rápido a partir da fase beta produz martensita alfa-prime acicular ou em tiras, enquanto o resfriamento lento produz colônias lamelares grossas. As estruturas lamelares sacrificam a resistência à tração, a resistência à fadiga e a ductilidade em troca de maior tenacidade à fratura e resistência à fluência.
O Ti-5Al-2,5Sn combina alta resistência e tenacidade criogênicas e é utilizado para o armazenamento de nitrogênio líquido a temperaturas próximas a −253 °C.
As ligas quase-alfa oferecem resistência à fluência e à oxidação, além de resistência mecânica de até cerca de 600 °C para uso em compressores de turbinas a gás. Entre os exemplos estão o Ti-1100, o IMI 834 e o BT18y. Pequenas adições de Mo, Nb ou V melhoram a forjabilidade por meio de uma fase beta limitada; o Zr e o Sn reforçam a fase alfa, enquanto adições de Si, C e terras raras podem melhorar a resistência à fluência.
A forja e o tratamento térmico na faixa alfa-beta podem produzir uma estrutura bimodal composta por alfa equiaxial primário e beta transformado, contendo alfa lamelar secundário. Essa estrutura equilibra a fluência, a tenacidade à fratura e a fadiga.
O resfriamento mais rápido após o tratamento com solução beta resulta em ripas alfa mais finas, maior resistência e menor ductilidade. O aumento do teor de beta pode melhorar a resistência à fluência no IMI 834, mas reduzir o desempenho à fadiga. O envelhecimento ou a exposição prolongada podem precipitar alfa2 ordenado e silicetos de Ti5Si3, aumentando a resistência à temperatura ambiente e em altas temperaturas, ao mesmo tempo em que reduzem a ductilidade.
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