Quais são os tipos, as propriedades e os defeitos das ligas de titânio fundidas?

As ligas de titânio fundidas são agrupadas, de acordo com a microestrutura recozida, nos tipos α, α+β e β. Suas propriedades úteis incluem baixa densidade, alta resistência específica e resistência à corrosão, enquanto o comportamento na fundição é determinado pela fluidez da massa fundida, pela contração de solidificação e pela reatividade. Este guia compara os grupos de materiais, a composição e as propriedades mecânicas dos tipos listados, bem como os defeitos comuns de fundição.

Propriedades das ligas de titânio fundidas

O titânio combina baixa densidade, alta resistência, boa tenacidade, comportamento não magnético, alto ponto de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica e forte resistência à corrosão e ao ataque biológico. As ligas de titânio fundidas geralmente apresentam as dez características a seguir.

1. Baixa densidade, alta resistência e alta resistência específica

O titânio tem uma densidade de 4,51 g/cm³, cerca de 57% do aço. É menos do que o dobro do peso do alumínio, mas pode ter cerca de três vezes mais resistência. Na comparação apresentada aqui, as ligas de titânio apresentam resistência específica cerca de 3,5 vezes maior que a do aço inoxidável, 1,3 vezes maior que a das ligas de alumínio e 1,7 vezes maior que a das ligas de magnésio. Isso as torna importantes materiais estruturais para aplicações aeroespaciais.

2. Excelente resistência à corrosão

A passividade do titânio depende de sua camada de óxido. Sua resistência à corrosão é muito maior em meios oxidantes do que em meios redutores, nos quais pode ocorrer corrosão rápida. O titânio resiste ao ataque em meios que incluem água do mar, cloro úmido, soluções de clorito e hipoclorito, ácido nítrico, ácido crômico, cloretos metálicos, sulfetos e ácidos orgânicos.

3. Boa resistência ao calor

O alumínio geralmente perde seu desempenho original por volta de 150 °C e o aço inoxidável, por volta de 310 °C, enquanto as ligas de titânio podem manter propriedades mecânicas úteis perto de 500 °C. A cerca de Mach 2,7, a superfície de uma aeronave pode atingir 230 °C, temperatura na qual as ligas de alumínio e magnésio podem se tornar inadequadas. As ligas de titânio são utilizadas nos discos e pás dos compressores de motores aeronáuticos e no revestimento da parte traseira da fuselagem.

4. Bom desempenho em baixas temperaturas

Em algumas ligas de titânio, como a Ti-5Al-2,5Sn ELI, a resistência aumenta à medida que a temperatura diminui, enquanto a ductilidade diminui apenas ligeiramente. Sua ductilidade e tenacidade em baixas temperaturas permitem seu uso em motores de foguete movidos a hidrogênio líquido e oxigênio líquido, bem como em recipientes e tanques criogênicos para espaçonaves tripuladas.

5. Comportamento não magnético

O titânio é não magnético. Em aplicações no casco de submarinos, ele não aciona minas magnéticas.

6. Baixa condutividade térmica

A condutividade térmica do titânio é cerca de um quinto da do aço, um décimo terceiro da do alumínio e um vigésimo quinto da do cobre. A baixa condutividade térmica é uma desvantagem em algumas aplicações.

7. Baixo módulo de elasticidade

O titânio possui um módulo de elasticidade de aproximadamente 55% do aço. Para aplicações estruturais, esse módulo relativamente baixo pode ser uma desvantagem.

8. As resistências à tração e ao escoamento são semelhantes

No exemplo citado do Ti-6Al-4V, a resistência à tração é de 960 MPa e o limite de escoamento é de 892 MPa, uma diferença de apenas 68 MPa.

9. O titânio se oxida facilmente em altas temperaturas

O titânio apresenta forte afinidade pelo hidrogênio e pelo oxigênio; por isso, a oxidação e a absorção de hidrogênio devem ser controladas. A soldagem requer proteção com argônio. Os tubos e chapas de titânio são submetidos a tratamento térmico a vácuo, enquanto as peças forjadas de titânio exigem um controle cuidadoso da atmosfera do forno, que deve ser levemente oxidante.

10. Baixa capacidade de amortecimento

Se sinos de forma e tamanho idênticos forem fabricados em titânio, cobre e aço e forem tocados com a mesma força, o sino de titânio soará por mais tempo. A energia do impacto se dissipa lentamente, o que indica baixa capacidade de amortecimento.

Classificação das ligas de titânio fundidas

As 12 classes de titânio fundido apresentadas a seguir estão agrupadas de acordo com a microestrutura recozida. A designação ZT identifica o titânio fundido no sistema de designação chinês. As normas nacionais chinesas citadas são a GB/T 6614-2014, Peças fundidas de titânio e ligas de titânio, e GB/T 15073-2014, Titânio fundido e ligas de titânio.

Composição química do titânio fundido e das ligas de titânio

A tabela de composição a seguir é atribuída à norma GB/T 6614-2014; seus limites se aplicam aos tipos de peças fundidas e às condições aqui representadas.

Notas: Outros elementos são oligoelementos inerentemente presentes durante a produção de peças fundidas de titânio, incluindo geralmente Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb e Y, excluindo os elementos de liga adicionados intencionalmente na composição da liga. Os limites individuais e totais para esses outros elementos são analisados apenas quando exigido pelo comprador.

Propriedades mecânicas do titânio fundido e das ligas de titânio

A tabela a seguir, referente à composição e às propriedades mecânicas, está baseada na norma GB/T 15073-2014; seus valores não são apresentados como limites universais para todos os produtos de titânio fundido.

1. ligas de titânio α. A estrutura recozida é inteiramente da fase α. Essas ligas apresentam boa estabilidade estrutural em altas temperaturas e constituem a base das ligas de titânio resistentes ao calor, embora a resistência à temperatura ambiente não seja elevada. O titânio comercialmente puro também é um material da fase α.
2. Ligas de titânio α+β. A estrutura recozida contém as fases α e β. Essas ligas podem ser reforçadas por tratamento térmico e apresentam resistência relativamente alta e boa resistência ao calor na faixa de 400 a 450 °C. Em temperaturas mais elevadas, a estabilidade estrutural e a soldabilidade são inferiores às das ligas α.
3. ligas de titânio β. A estrutura recozida é da fase β. O temple e o revenimento podem proporcionar elevadas propriedades mecânicas.

Ligas de titânio fundidas do tipo α

Peças fundidas de titânio comercialmente puro

As peças fundidas de titânio comercialmente puro incluem ZTA1 (tipo de fundição de titânio CP chinês), ZTA2 (tipo de fundição de titânio CP chinês) e ZTA3 (tipo de fundição de titânio CP chinês). O primeiro desses tipos apresenta o menor teor de impurezas e, portanto, maior ductilidade, mas menor resistência. A terceira contém mais impurezas e, portanto, apresenta maior resistência, mas menor ductilidade. A estrutura na forma de fundição é inteiramente da fase α, com grãos grosseiros de Widmanstätten; o recozimento produz uma estrutura equiaxial.

O comportamento na fundição se assemelha ao de um metal puro. A fluidez é boa, a contração dispersa é limitada, podem se formar cavidades de contração concentradas e é improvável que ocorram fissuras a quente. As peças fundidas de titânio CP apresentam resistência moderada, boa ductilidade, boa fundibilidade, resistência à corrosão e soldabilidade. Elas podem operar por longos períodos a 300 °C.

Liga de titânio fundida Ti-5Al-2.5Sn

A liga de titânio fundida Ti-5Al-2,5Sn é uma liga α monofásica de resistência média, contendo 5% de alumínio como estabilizador α e 2,5% de estanho como elemento neutro. Apresenta boa resistência a altas temperaturas e soldabilidade por fusão. Ela não pode ser reforçada por tratamento térmico e é normalmente utilizada no estado recozido. A ductilidade de processamento é relativamente baixa, portanto, a conformação de chapas requer aquecimento.

Entre as aplicações estão carcaças e painéis. As temperaturas de operação relatadas para essa liga chegam a 500 °C em uso prolongado e a 800 °C por curtos períodos.

Titânio fundido Ti-0.2Pd

O titânio fundido Ti-0,2Pd é um material α resistente à corrosão, produzido pela adição de uma pequena quantidade de paládio ao titânio comercialmente puro. O paládio melhora a resistência à corrosão tanto em meios redutores quanto em meios oxidantes. Em meios quentes e concentrados de cloretos, esse material fundido é descrito como possuindo uma resistência particularmente elevada à corrosão em fendas.

O titânio fundido Ti-0,2Pd tem aplicações semelhantes às das peças fundidas de titânio CP, mas custa mais devido à adição de paládio; por isso, é escolhido quando o titânio comercialmente puro não consegue atender aos requisitos de serviço. As aplicações incluem ambientes com ácido clorídrico, sulfúrico e fosfórico diluídos; equipamentos de titânio resistentes à corrosão em fendas; trocadores de calor do tipo casco e tubo; filatórios têxteis; revestimentos de flanges em plantas de acetaldeído; e flanges, juntas e outros componentes sujeitos a corrosão em fendas.

Liga de titânio fundida Ti-0.3Mo-0.8Ni

A liga de titânio fundida Ti-0,3Mo-0,8Ni é uma liga quase-α resistente à corrosão, desenvolvida para melhorar o desempenho do titânio puro contra a corrosão em fendas. Seus teores de 0,3% de Mo e 0,8% de Ni conferem resistência à liga e melhoram a resistência a meios clorídricos quentes de baixo pH e a ácidos levemente redutores. Sua resistência à corrosão relatada é substancialmente melhor do que a do titânio puro e próxima à da liga de titânio fundido Ti-0,2Pd. Ela também apresenta boa ductilidade de processo e soldabilidade, sendo amplamente utilizada na indústria química.

Liga de titânio fundida Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

A composição indicada para essa liga near-α com alto teor de alumínio é 6,58% de Al e 1,46% de Mo. Ela combina a resistência a altas temperaturas e a soldabilidade das ligas α com uma ductilidade de processo próxima à das ligas α+β. A temperatura de operação de longo prazo relatada é de 500 °C por 3.000 h, com exposição momentânea de até 800 °C por no máximo 5 min. A 450 °C, a vida útil relatada chega a 6.000 h.

As aplicações incluem peças estruturais e soldadas que suportam cargas, operando a temperaturas inferiores a 500 °C, pás e carcaças de motores, peças de chapa metálica para aeronaves, vigas, juntas, painéis de grandes dimensões, estruturas soldadas que suportam cargas, outras estruturas soldadas e peças fundidas.

Liga de titânio fundida Ti-4Al-2V

A liga de titânio fundida Ti-4Al-2V apresenta boas propriedades mecânicas à temperatura ambiente e em altas temperaturas, resistência à fadiga, resistência ao crescimento de trincas, resistência ao impacto e resistência à corrosão em diversos meios. É soldável e pode ser moldada a quente ou a frio.

As aplicações incluem vasos de pressão para mísseis e carcaças de motores de foguete; discos, pás, espaçadores, proteções, revestimentos, nervuras, travessas, asas, vigas, estabilizadores horizontais, cubos de rotor, trens de pouso, vigas de suporte e cubos de roda para aeronaves; hidrofólios marítimos, equipamentos de propulsão e munições; e pás de turbinas a vapor, discos de compressores axiais e radiais, molas resistentes à corrosão e bielas de motores de combustão interna.

Ligas de titânio fundidas do tipo α+β

Liga de titânio fundida Ti-6Al-4V

A liga de titânio fundida Ti-6Al-4V é considerada uma das primeiras e mais utilizadas ligas de titânio. O alumínio reforça a fase α por meio de solução sólida e melhora a resistência à temperatura ambiente e em altas temperaturas. O vanádio aumenta a resistência e melhora a ductilidade. Ele também inibe a formação da fase α₂ fase ordenada, reduzindo o risco de fragilização a longo prazo.

A liga combina amplo desempenho mecânico com boas características de processamento e formabilidade superplástica. Ela pode ser moldada por meio de diversos métodos de trabalho sob pressão e soldada por vários processos. As formas de semiacabados mais comuns incluem barras, peças forjadas, chapas finas e grossas, perfis e fios. É utilizada principalmente no estado recozido, mas também pode ser submetida a tratamento de solução e envelhecimento.

As aplicações aeroespaciais incluem vigas de aeronaves, estruturas, trilhos, vigas de trem de pouso, discos e pás de ventiladores e compressores, carcaças de foguetes, vasos de pressão e fixadores. A substituição do aço estrutural 30CrMnSiA pode reduzir o peso dos componentes em cerca de 30%. As aplicações civis incluem pás de turbinas a gás, hélices marítimas, plataformas de perfuração offshore, bombas resistentes à corrosão, implantes médicos e artigos esportivos. O Ti-6Al-4V não fundido também é utilizado em chassis automotivos, virabrequins, bielas, parafusos, válvulas de admissão e molas de suspensão.

Liga de titânio fundida Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo

Essa liga combina alta resistência, alta tenacidade, tolerância a danos e soldabilidade, podendo operar por longos períodos a temperaturas inferiores a 500 °C. As aplicações descritas incluem componentes estruturais para uso aeroespacial e civil; barras, peças forjadas e chapas grossas também são listadas como as principais formas de produtos semiacabados. Essas formas de produtos forjados diferem do material fundido discutido nesta seção.

Ligas de titânio fundidas do tipo β

A liga de titânio fundida Ti-32Mo Beta oferece resistência à corrosão muito elevada e pode ser soldada por diversos métodos, mas não é considerada passível de tratamento térmico para reforço. Seu alto teor de molibdênio dificulta a fusão e eleva a densidade para 5,69 g/cm³, reduz o módulo de elasticidade e provoca oxidação grave quando aquecido ao ar a temperaturas superiores a 500 °C. Por isso, é utilizado principalmente na fabricação de bombas fundidas, válvulas e componentes similares expostos a ácidos fortes.

Comportamento na fundição e defeitos comuns

Os elementos de liga geralmente ampliam a faixa de temperatura de solidificação e reduzem a fluidez. O aumento do teor de alumínio, no entanto, eleva o calor de cristalização e pode melhorar a fluidez. A adição de 10% Al em massa eleva o calor de cristalização de 327 J/g para 435 J/g. A liga de titânio fundido beta Ti-32Mo contém 31%-35% Mo, apresenta um amplo intervalo de solidificação e baixa fluidez, sendo inadequada para peças fundidas de parede fina.

As cavidades de contração concentrada ocupam cerca de 1% em volume no titânio comercialmente puro. Com um teor de elementos de liga de 10% em massa, a fração volumétrica de contração concentrada é de cerca de 0,5% a 1,5%. Em ligas com ampla faixa de solidificação, as cavidades de contração formadas durante a solidificação podem ser preenchidas por gás proveniente do líquido remanescente, produzindo cavidades de contração por gás. As peças fundidas de ligas de titânio apresentam forte tendência a formar esse defeito. A porosidade de contração dispersa também aumenta à medida que a faixa de solidificação se amplia.

O titânio comercialmente puro apresenta uma contração linear de 1,0% a 1,1%. A contração das ligas de titânio aumenta com o teor de alumínio. O baixo módulo de elasticidade e o baixo coeficiente de expansão térmica, aliados à resistência relativamente alta em temperaturas elevadas, conferem às ligas de titânio boa resistência à fissuração a quente. As fissuras a frio na superfície estão associadas a reações entre o titânio fundido e o molde durante o vazamento ou a reações com impurezas gasosas na superfície da peça fundida e nas fendas, que formam uma camada α frágil e enriquecida com oxigênio. Essa camada superficial frágil desenvolve facilmente fissuras a frio.