Como funciona a moldagem por injeção de pós de titânio (MIM)?

A moldagem por injeção de pós de titânio (MIM) começa pela mistura de pó fino com um ligante para preparar a matéria-prima de injeção. A mistura é moldada em uma peça verde, seguida da remoção do ligante e da sinterização para obter a densidade e as propriedades finais. O tipo de pó, o sistema de ligantes e as condições de remoção do ligante e sinterização variam para o titânio comercialmente puro, o hidreto de titânio, Ti-6Al-4V e TiAl. O processo é estudado para válvulas de motor, pás de turbina, caixas de relógio, cabeças de tacos de golfe, peças de eletrônicos de consumo e implantes médicos.

Titânio comercialmente puro e hidreto de titânio

A moldagem por injeção de titânio (Ti-MIM) tem sido amplamente estudada para produtos biomédicos e componentes de titânio de precisão. As pesquisas geralmente abordam o tipo de pó e o tamanho das partículas, os sistemas de ligantes, a remoção do ligante, os programas de sinterização, os poros e o controle de impurezas.

Os pós utilizados como matéria-prima incluem titânio atomizado por plasma, titânio esférico atomizado por gás, hidreto de titânio e titânio hidreto-desidreto (HDH). Alguns estudos utilizam pó atomizado com granulometria inferior a 45 μm, enquanto outros utilizam partículas finas de hidreto de titânio com tamanho médio de apenas alguns micrômetros. Essas escolhas ajudam a revelar como o tamanho e a morfologia do pó afetam o comportamento da matéria-prima, a qualidade da moldagem e a densificação por sinterização.

Os sistemas de ligantes podem ser solúveis em água, à base de parafina, à base de naftaleno ou misturas multicomponentes de cera de parafina (PW), polietilenoglicol (PEG), polietileno de baixa densidade (LDPE) e polipropileno (PP). O pó de titânio e o aglutinante são misturados para formar uma matéria-prima uniforme e, em seguida, moldados por injeção para formar uma peça em bruto.

A remoção do ligante pode ser realizada por meio de extração com solvente, tratamento térmico ou ambos. No caso de componentes do ligante solúveis em água ou de outra forma, a fração solúvel principal pode ser removida primeiro, seguida pela remoção térmica do ligante a vácuo ou em atmosfera protetora, a fim de eliminar resíduos orgânicos e limitar a contaminação por carbono e oxigênio durante a sinterização.

A sinterização a vácuo é comum. O ajuste da temperatura, do tempo de manutenção e dos programas de aquecimento e resfriamento altera a difusão entre as partículas, a retração dos poros e a evolução da microestrutura. Os pesquisadores também examinam grandes vazios causados por gás retido durante a preparação da matéria-prima ou na moldagem, bem como poros finos decorrentes de densificação inadequada. A preparação da matéria-prima, os parâmetros de injeção, a remoção do aglutinante e a sinterização são otimizados para reduzir esses defeitos.

Pós produzidos por diferentes processos ou com morfologias diferentes também podem ser misturados. Por exemplo, o pó esférico atomizado a gás pode ser misturado com o pó HDH para equilibrar a carga de pó, o fluxo da matéria-prima, a retração por sinterização e a retenção da forma.

A pesquisa sobre o titânio comercialmente puro por MIM segue, portanto, uma cadeia de processos interligada: seleção e mistura de pós, projeto do aglutinante, preparação da mistura e moldagem por injeção, remoção do aglutinante, sinterização a vácuo e controle de poros e impurezas. Os parâmetros em cada etapa são ajustados para estudar seus efeitos na microestrutura, nas dimensões e nas propriedades finais.

Moldagem por injeção de pó de Ti-6Al-4V

O Ti-6Al-4V é a liga de titânio mais utilizada. Ela combina resistência ao calor, resistência mecânica, ductilidade, tenacidade, moldabilidade, soldabilidade, resistência à corrosão e biocompatibilidade, e é responsável por mais da metade do uso de titânio.

Ergül e colegas moldaram por injeção pó de Ti-6Al-4V atomizado a gás. As amostras apresentavam uma estrutura acicular grossa. Temperaturas de sinterização mais elevadas e tempos de manutenção mais longos aumentaram a densidade, a resistência à tração e o alongamento. Após 10 horas a 1.275 °C, a densidade atingiu 99%, a resistência à tração foi de 704 MPa, o alongamento foi de 6,37% e a dureza foi de 38,6 HRC. Outros estudos observaram que temperaturas mais altas e tempos de manutenção mais longos podem aumentar o tamanho dos grãos e prejudicar o desempenho à fadiga.

O Centro de Pesquisa GKSS da Alemanha utilizou pó de Ti-6Al-4V atomizado a gás com um aglutinante à base de parafina. As peças em bruto passaram por desligamento por solvente em n-heptano, desligamento térmico em argônio e sinterização a vácuo. A temperatura de sinterização e a taxa de resfriamento afetaram significativamente a resistência à tração final, enquanto os parâmetros de remoção do aglutinante tiveram pouco efeito sobre a resistência à tração e os parâmetros do processo tiveram pouca influência sobre a ductilidade.

Outra equipe de pesquisa preparou uma mistura de pó 90% Ti-6Al-4V e pó 10% HDH Ti-6Al-4V com um aglutinante à base de parafina a 150 °C e a moldou por injeção a 165 °C. Após a remoção do aglutinante, as peças foram sinterizadas a vácuo por 3 horas a 1.230 °C e submetidas a prensagem isostática a quente por 3 horas a 920 °C. A liga densa atingiu uma resistência à tração de 1.030 MPa, uma redução de área de 12% e um alongamento de 21%.

Moldagem por injeção de pó de TiAl

Os intermetálicos de TiAl combinam características da cerâmica e dos metais convencionais: baixa densidade, alta temperatura de operação, resistência a altas temperaturas, rigidez específica e módulo de elasticidade elevados, além de boa resistência à oxidação, à fluência e à fadiga. São considerados materiais estruturais leves e promissores para altas temperaturas. Em comparação com o titânio puro, o TiAl requer uma temperatura de sinterização mais elevada, absorve impurezas mais facilmente e exige um controle mais rigoroso das impurezas.

A GKSS combinou pó de TiAl atomizado a gás com um aglutinante à base de parafina. A remoção do aglutinante em atmosfera de argônio, a sinterização a vácuo e a prensagem isostática a quente produziram uma liga densa com baixo teor de oxigênio. O fluxo de argônio durante a sinterização impediu a evaporação de alumínio da superfície do TiAl, mas os teores de carbono e oxigênio foram substancialmente mais elevados do que após a sinterização a vácuo.

Kim e colegas utilizaram o processo MIM para produzir Ti-48Al com densidade relativa de 98,8%, microestrutura fina e boas propriedades. O pó pré-ligado produzido pelo processo SHS foi misturado com aglutinante e moldado a 120 °C. Após a remoção do ligante por solvente, realizou-se a remoção térmica do ligante em argônio ou hidrogênio. A remoção do ligante por hidrogênio depositou óxidos finos nos limites das partículas originais de TiAl e reduziu significativamente as propriedades mecânicas após a sinterização. A pré-sinterização por 3 horas a 1.000 °C, seguida de sinterização por 30 horas a 1.350 °C, resultou em uma densidade relativa de 98,8%. A taxa de aquecimento também afetou a densidade; cerca de 3 °C/min foi considerada adequada.

A Osaka Yakin Kogyo produziu componentes de γ-TiAl com uma composição nominal de Ti-47Al-2,6Cr em porcentagem atômica. O pó da liga foi produzido por síntese autopropagada em alta temperatura, depois misturado com um aglutinante orgânico, compactado, moldado por injeção e sinterizado. A densidade atingiu 97%, com alta resistência e ductilidade comparáveis às das amostras produzidas convencionalmente.

Outra equipe utilizou pó pré-ligado atomizado por gás inerte para moldar peças complexas de TiAl com alto teor de nióbio. Após sinterização por 2 horas a 1.480 °C, a densidade atingiu 96,2%. O material apresentava uma estrutura fina e uniforme, quase lamelar, com tamanho de lâmina de cerca de 60 μm, resistência à compressão de 2.839 MPa, deformação por compressão de 34,9%, resistência à tração de 382 MPa e alongamento de 0,46%.

Outros sistemas de ligas de titânio

Aditivos de liga, como zircônio, nióbio, tântalo, paládio e estanho, podem melhorar as propriedades mecânicas, a resistência à corrosão e a biocompatibilidade. O estanho e o zircônio também podem melhorar a resistência mecânica e a resistência à fluência em altas temperaturas.

Pesquisadores da Universidade de Kyushu moldaram por injeção a liga Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si. A mistura do pó elementar com o titânio causou uma difusão insuficiente dos elementos de alto ponto de fusão e um alto teor de oxigênio, reduzindo a densidade. O uso de pó de titânio com pó de liga-mestre resultou em densidade de 96,4%, resistência à tração de 910 MPa e alongamento de 14,1%. A adição de 4% de Mo para formar o Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo elevou a resistência à tração para 1.010 MPa, mantendo o alongamento de 14,7%.

O MIM também é amplamente estudado para ligas de titânio biomédicas. Os implantes de Ti-6Al-4V e Ti-6Al-7Nb podem liberar íons de alumínio ou vanádio, enquanto as ligas de Ti-Mo evitam esses elementos e combinam desempenho mecânico, resistência à corrosão e biocompatibilidade para aplicações odontológicas e ortopédicas.

Pesquisadores universitários no Japão moldaram por injeção Ti-12Mo a partir de pó de titânio com tamanho médio de 38 μm e pó de alumínio com tamanho médio de 0,6 μm. [A VERIFICAR: a fonte identifica o pó de alumínio na matéria-prima do Ti-12Mo] As peças desligadas foram sinterizadas a vácuo na faixa de 1.120 a 1.300 °C. Na faixa de 1.160 a 1.200 °C, a resistência à tração atingiu 1.000 MPa, comparável à liga forjada da mesma composição. Temperaturas mais altas aumentaram o tamanho dos grãos e reduziram a resistência. A prensagem isostática a frio entre a pré-sinterização e a sinterização final aumentou a densidade final em 10% e quase dobrou a resistência à tração.

Pesquisadores do Instituto Geral de Pesquisa de Metais Não Ferrosos de Pequim utilizaram três tamanhos diferentes de pó de titânio para fabricar getters de Ti-Mo por meio de moldagem por injeção de pó. O tamanho do pó determinou a área superficial específica e a porosidade, que, por sua vez, determinaram o desempenho de captação de gás. O pó com tamanho médio de 35 μm produziu alta porosidade e área superficial, além do melhor desempenho de captação. Uma carga de pó de 40% em volume também produziu porosidade e área superficial relativamente altas.

MIM de titânio poroso

O titânio poroso e os sistemas mais recentes de ligas de titânio podem combinar uma estrutura porosa adequada com as propriedades mecânicas necessárias para implantes ortopédicos de substituição. Sua menor rigidez efetiva reduz o desajuste com o osso e o efeito de proteção contra tensões associado a ele. Os poros interconectados também permitem que fluidos corporais e células ósseas penetrem no implante.

A moldagem por injeção de pó de ligas de titânio biomédicas porosas foi proposta pela primeira vez em 2003. O KCl e o NaCl eram os ocupantes de espaço mais comuns, e foi alcançada uma porosidade superior a 10%. Estudos posteriores adicionaram TiH₂ ao pó elementar de titânio-alumínio-vanádio como agente espumante e ativador. O Ti-6Al-4V de célula aberta resultante apresentou distribuição uniforme de poros, tamanhos de poros de 90 a 190 μm, porosidade de 43%-59% e um módulo de elasticidade de 5,8 a 9,5 GPa.

Outros pesquisadores combinaram pó esférico atomizado, pó de titânio HDH e um aglutinante à base de parafina com espaçadores de NaCl ou KCl. A alteração do teor dos espaçadores resultou em titânio poroso com tamanhos de poros e porosidade adequados para implantes médicos, enquanto a composição atendia aos requisitos estabelecidos para o titânio comercialmente puro de Grau 3. Na Universidade Central do Sul, o pó de titânio HDH e o NaCl produziram implantes de titânio poroso com porosidade de 42,4%-71,6% e poros de até 300 μm. O ajuste do teor de NaCl criou poros interconectados, e as propriedades mecânicas se aproximaram das do osso esponjoso.