Quais sistemas de ligas de titânio são utilizados no setor aeroespacial?

O desenvolvimento das ligas de titânio teve início na aviação e evoluiu com a demanda do setor por estruturas mais leves, mais resistentes e capazes de operar em temperaturas mais elevadas. Os sistemas aeroespaciais de titânio podem ser classificados em quatro grupos: ligas de alta resistência e alta tenacidade, ligas para altas temperaturas, ligas resistentes à combustão e compósitos com matriz de titânio.

Ligas de titânio de alta resistência e alta tenacidade

Ligas com resistência à tração superior a 1.000 MPa e tenacidade à fratura superior a 55 MPa·m^1/2 são geralmente consideradas aqui como ligas de titânio de alta resistência e alta tenacidade. O sistema Ti-Al-Mo-V-Cr é um dos principais. A liga Ti-1023 tem sido utilizada no trem de pouso do Boeing 777 e nas hastes do trem de pouso principal do A380; o Timetal 555 tem sido utilizado no trem de pouso do Boeing 777 e nas vigas do bogie; o BT22 russo tem sido empregado em componentes da estrutura da aeronave e do trem de pouso sujeitos a grandes cargas em aeronaves como o Su-27 e o Il-76.

A liga Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al utiliza Mo, V e Cr para estabilizar a fase beta. O aumento dessas adições pode melhorar a ductilidade; após o tratamento térmico, a resistência à tração pode atingir 1.100–1.200 MPa. A liga apresenta boa formabilidade a frio após o tratamento de solução e um equilíbrio útil entre resistência e ductilidade após o tratamento de solução e envelhecimento. O Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al contém menos Cr e possui um teor de estabilizador beta próximo da concentração crítica, combinando características das ligas alfa-beta e beta metaestáveis. Após o tratamento térmico, pode atingir resistência à tração de 1.110 MPa e 70,5 MPa·m^1/2 resistência à fratura para estruturas aeroespaciais.

Ligas de titânio para altas temperaturas

As ligas de titânio para altas temperaturas são materiais essenciais para motores de aeronaves. A Ti-6Al-4V, a primeira liga amplamente utilizada, opera em temperaturas entre 300 e 350 °C e combina resistência a altas temperaturas, ductilidade, tenacidade, formabilidade e biocompatibilidade. Ligas posteriores, como IMI550, BT3-1 e IMI685, aprimoraram a resistência à tração e à fluência e elevaram a temperatura de serviço para cerca de 400 °C. A adição de silício e o desenvolvimento de ligas Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si levaram ao surgimento da IMI834, Ti-1100, BT36 e outras ligas reforçadas, em parte, pela fase alfa₂. O IMI834, amplamente utilizado no Reino Unido e nos motores Trent 700, atinge cerca de 600 °C.

Ligas típicas dos EUA

Ligas representativas do Reino Unido

Ligas representativas da Rússia e da China

Abaixo de 600 °C, essas ligas podem apresentar desempenho superior ao do aço estrutural, do alumínio e das superligas de níquel em termos de resistência específica, resistência específica à fluência e resistência específica à fadiga. Substituir o níquel pelo titânio, mantendo a mesma resistência e capacidade de serviço, pode reduzir a massa em cerca de 1,7 vezes. Motores com alta relação empuxo/peso também requerem blisks, blings, estruturas soldadas e Ti₂AlNb, TiAl e compósitos de titânio reforçados com fibra.

A Mach 6, a temperatura da superfície de uma aeronave pode ultrapassar 650 °C, aumentando a demanda por revestimentos, estruturas, motores e componentes da fuselagem resistentes ao calor. O desenvolvimento, portanto, tem como foco a resistência à fluência, a vida útil até a ruptura, a resistência à fadiga, a estabilidade termodinâmica, a resistência à oxidação e a resistência à corrosão sob tensão térmica.

A temperatura de serviço de longo prazo aumentou de cerca de 350 °C para o Ti-6Al-4V para cerca de 600 °C. Esse valor é frequentemente considerado como a barreira térmica para as ligas de titânio convencionais, tornando o TiAl e os compósitos de titânio reforçados com fibras de carboneto de silício importantes para temperaturas superiores a esse limite. Os conceitos de ligas para 650 °C relatados adicionam Hf, Nb e Ta aos sistemas Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si. As adições de terras raras devem permanecer abaixo de 0,1 at.%; adições maiores exigem metalurgia de pó com solidificação rápida. Uma estrutura totalmente lamelar requer tratamento térmico beta.

Ligas de titânio resistentes à queima

Atualmente, o titânio representa cerca de um terço da massa estrutural de muitos motores modernos de turbina a gás, mas as ligas comuns podem inflamar-se sob determinadas combinações de temperatura, pressão, fluxo de ar e atrito. Um incêndio pode evoluir de uma queima localizada na ponta da pá ou na borda de fuga para uma queima completa de 360° do invólucro em apenas 4 a 20 segundos.

As ligas resistentes ao fogo impedem a ignição ou a propagação das chamas. A liga C (Ti-35V-15Cr) é utilizada nas aletas do estator, nos anéis internos e nas abas do bocal do compressor de alta pressão do F119. A liga C+ adiciona Si e C para aumentar a resistência à fluência. A Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) é destinada a serviços de longa duração em torno de 500 °C, mas perde a resistência à fluência acima de 510 °C e não deve exceder 520 °C. A TF550, baseada em Ti-35V-15Cr-Si-C, tem uma densidade de 5,33 g/cm³ e um comportamento de fluência e ruptura satisfatório a 550 °C.

Sistemas Ti-V-Cr

O V e o Cr podem formar um óxido protetor denso antes da combustão, reduzir a liberação de calor por meio de produtos voláteis, diminuir a temperatura de fusão e melhorar a dissipação de calor. A liga C é uma liga beta com composição nominal de 50Ti-35V-15Cr e densidade de aproximadamente 5,34 g/cm³. A liga C+ é Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Esses sistemas continuam sendo caros, difíceis de fundir e não apresentam alta condutividade abaixo da temperatura de fusão; a condutividade térmica do Ti40 aumenta apenas duas a três vezes próximo ou acima da temperatura de fusão, de modo que a rápida dissipação de calor, por si só, não pode explicar a resistência à queima.

Sistemas de Ti-Al-Cu

As ligas de Ti-Cu formam um Ti de baixo ponto de fusão₂O cobre é líquido próximo a 990 °C. A fusão absorve calor, e a lubrificação líquida reduz o atrito e a geração de calor. A liga russa BTT-1, Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr, opera até cerca de 450 °C e apresenta boa formabilidade a quente para peças complexas. O BTT-3, Ti-18Cu-2Al-2Mo, apresenta melhor ductilidade e resistência ao fogo, sendo adequado para chapas e folhas; no entanto, ambas as ligas têm tenacidade limitada, racham facilmente e podem apresentar encolhimento durante a fusão.

Sistemas Ti-Nb

O Ti-45Nb comercial é utilizado em autoclaves. Em testes de ignição por tração sob sobrecarga, ele não entrou em combustão em oxigênio puro a 250 °C e 3,1 MPa e também apresentou boa resistência à corrosão, embora sua alta densidade limite sua aplicação.

Intermetálicos de TiAl

Os intermetálicos de TiAl combinam baixa densidade, alto módulo de elasticidade, resistência à oxidação e resistência à queima, com temperatura máxima de serviço relatada de até 1.040 °C; no entanto, a fragilidade à temperatura ambiente dificulta o processamento. O sistema Ti-Al inclui Ti₃Al, TiAl e TiAl₃. Na faixa de 700 a 850 °C, o TiAl apresenta maior resistência específica do que o titânio convencional e as superligas de níquel, além de uma rigidez específica cerca de 50% maior do que a dos materiais estruturais comumente utilizados em motores.

As pás de Gamma-TiAl desenvolvidas pela GE substituíram as pás de superliga de níquel nos estágios 6 e 7 da turbina de baixa pressão do GEnx no Boeing 787, reduzindo a massa em até 72,5 kg. O Nb-TiAl também tem sido aplicado em turbocompressores automotivos e está sendo desenvolvido para estruturas que operam entre 700 e 900 °C.

Compostos com matriz de titânio

Os compósitos contínuos com matriz de titânio reforçados com fibras de SiC utilizam fibras de SiC com núcleo de tungstênio ou de carbono em matrizes de titânio ou TiAl. Eles combinam alta resistência específica e rigidez, baixa densidade, resistência à fluência e à fadiga, além de capacidade de operação entre 600 e 800 °C por longos períodos e a 1.000 °C por curtos períodos. Um anel com pás integradas pode reduzir a massa do compressor em cerca de 70% em comparação com pás e disco separados.

SiC_f/O Ti é anisotrópico: a resistência à tração longitudinal pode ser mais de duas vezes maior do que a da matriz, enquanto a resistência transversal pode ser apenas metade da da matriz. Isso o torna adequado para peças sujeitas a cargas direcionais, como eixos de turbinas, tirantes, hastes de pistão, revestimentos e molas.

A prensagem isostática a quente ou a prensagem a quente a vácuo deve controlar a reação na interface, a densificação do fio precursor e a ligação por difusão com o invólucro. As propriedades das fibras, os revestimentos, a qualidade do precursor, a disposição das camadas, a conformação e a usinagem influenciam o comportamento final. SiC com matriz de Ti-1100_f/Segundo relatos, as temperaturas dos blings de titânio atingiram 700-800 °C, com uma redução da massa estrutural de aproximadamente 50%.

Perspectivas

Os futuros sistemas aeroespaciais exigem maior resistência, tenacidade, tolerância a danos, capacidade de resistência a variações de temperatura, resistência à oxidação e menor custo. As prioridades incluem ligas tolerantes a danos, ligas estruturais resistentes à fadiga, materiais avançados de TiAl e compósitos de matriz de titânio produzidos por solidificação rápida, metalurgia do pó ou reforço com fibras e partículas.

O desenvolvimento de compósitos ainda requer maior estabilidade, dados estatisticamente confiáveis sobre as propriedades, caracterização detalhada, previsão de falhas e vida útil, inspeção não destrutiva em microescala, controle concêntrico de processos, critérios de projeto, métodos de qualificação, lotes estáveis de fibras e matrizes, revestimentos para altas temperaturas, eficiência de produção e especificações de componentes.