Quais são os tipos, tratamentos térmicos e aplicações das ligas de titânio?

O titânio e as ligas de titânio superam o alumínio e as ligas de alumínio em termos de resistência mecânica, resistência ao calor e resistência à corrosão. São amplamente utilizados na aviação, no setor aeroespacial, no processamento químico, em mísseis e em embarcações marítimas. No entanto, o titânio torna-se extremamente reativo em altas temperaturas. A fusão, o vazamento, a soldagem e o tratamento térmico devem, portanto, ser realizados sob vácuo ou em atmosfera inerte. Essas condições rigorosas de processamento e os altos custos limitam seu uso mais amplo.

Titânio comercialmente puro

O titânio é um metal branco-prateado com ponto de fusão de 1.680 °C e densidade de 4,5 g/cm³. É mais pesado que o alumínio, mas mais leve que o aço. Sua resistência é aproximadamente seis vezes maior que a do alumínio, o que lhe confere alta resistência específica. O titânio também possui alta ductilidade, boa resistência ao calor e um baixo coeficiente de expansão térmica, de modo que a tensão térmica é relativamente baixa durante o uso em altas temperaturas ou na conformação a quente.

O titânio apresenta excelente resistência à corrosão em ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico, hidróxido de sódio e outras soluções alcalinas, em ambientes úmidos e na água do mar. Ele não resiste ao ácido fluorídrico. O titânio é estável na atmosfera, pois uma densa camada de óxido se forma em sua superfície, preservando seu brilho metálico. Acima de 600 °C, no entanto, a película perde seu efeito protetor.

O titânio possui duas formas alotrópicas. Abaixo de 882,5 °C, a estrutura estável é a α-Ti, de empacotamento hexagonal compacto. Entre 882,5 °C e o ponto de fusão, a estrutura estável é a β-Ti, cúbica de corpo centrado.

O titânio comercialmente puro (titânio CP) é classificado em diferentes graus, de acordo com os níveis permitidos de elementos intersticiais e impurezas. Essas impurezas influenciam a resistência, a ductilidade e a resistência à corrosão. Os graus comuns nos sistemas ASTM incluem os Graus 1, 2, 3 e 4, e a fonte identifica o Grau 2 como um dos graus mais amplamente utilizados para aplicações industriais gerais. Esta declaração descreve a estrutura internacional do titânio CP e não estabelece uma correspondência direta com os graus chineses de titânio CP.

O titânio CP combina boa resistência à corrosão com resistência mecânica moderada. É adequado para peças que não exigem resistência mecânica muito elevada, mas que requerem resistência à corrosão, incluindo revestimentos e estruturas de aeronaves, equipamentos de processamento químico, reatores, trocadores de calor e equipamentos de dessalinização de água do mar.

O titânio CP normalmente não pode ser endurecido por meio de tratamento térmico convencional. O trabalho a frio pode aumentar sua resistência. Seus principais tratamentos térmicos são o recozimento de recristalização e o recozimento de alívio de tensões, que restauram a ductilidade, reduzem as tensões residuais e melhoram a estabilidade dimensional.

Composição, microestrutura, classificação e designações

Elementos de liga

Elementos de liga são adicionados ao titânio para aumentar a resistência. Os elementos dissolvidos no α-Ti formam uma solução sólida α, enquanto os elementos dissolvidos no β-Ti formam uma solução sólida β. O alumínio, o carbono, o nitrogênio, o oxigênio e o boro elevam a temperatura de transformação alotrópica α/β e são chamados de elementos estabilizadores de α. O ferro, o molibdênio, o magnésio, o cromo, o manganês e o vanádio reduzem a temperatura de transformação e são chamados de elementos estabilizadores de β. O estanho e o zircônio têm pouco efeito sobre a temperatura de transformação e são considerados elementos neutros.

Classes microestruturais

De acordo com a microestrutura em condições de serviço, ou recozida, as ligas de titânio são divididas em ligas α, ligas β, ligas (α+β) e ligas quase-α, que contêm uma pequena quantidade da fase β. As designações chinesas das ligas utilizam os prefixos TA, TB e TC, seguidos por um número, para esses três grupos principais de ligas. Quanto ao desempenho, as ligas de titânio também podem ser descritas como ligas de baixa, média ou alta resistência.

Tratamento térmico de ligas de titânio

Recozimento para alívio de tensões

O recozimento para alívio de tensões elimina as tensões internas geradas pela usinagem ou soldagem. A fonte indica uma temperatura típica de 450 a 650 °C, um tempo de manutenção de 1 a 4 horas e resfriamento ao ar.

Recozimento de recristalização

O recozimento de recristalização elimina o endurecimento por deformação. As temperaturas típicas variam de 550 a 690 °C para o titânio puro e de 750 a 800 °C para as ligas de titânio, com um tempo de manutenção de 1 a 3 horas, seguido de resfriamento ao ar.

Têmpera e envelhecimento

O temperamento e o envelhecimento aumentam a resistência e a dureza da liga. As ligas de titânio do tipo α geralmente não são submetidas a temperamento e envelhecimento. Para as ligas do tipo β e as ligas (α+β) que contêm níveis relativamente altos de elementos estabilizadores, a temperatura de temperamento é normalmente selecionada na parte superior da região bifásica α+β. A fonte indica 760 a 950 °C, um tempo de manutenção de 5 a 60 minutos e resfriamento com água.

Após o resfriamento rápido, parte da fase α permanece, enquanto a fase β se torna metaestável. Durante o envelhecimento, a fase α dispersa se precipita a partir da fase β metaestável, aumentando a resistência e a dureza. A microestrutura do Ti-6Al-4V temperado e envelhecido contém α+β em blocos e α acicular. O aquecimento deve evitar contaminação, oxidação e superaquecimento. Uma vez que os grãos β tenham crescido excessivamente, o tratamento térmico não pode restaurar o tamanho original dos grãos.

Tipos comuns de ligas de titânio e suas aplicações

Ligas de titânio alfa

As ligas de titânio α consistem inteiramente em uma solução sólida α e, portanto, apresentam boa tenacidade e ductilidade. Elas podem ser submetidas a trabalho a frio para a obtenção de produtos semiacabados, como chapas e barras. Sua microestrutura é estável em altas temperaturas, com boa resistência à oxidação e resistência a quente. Entre 500 e 600 °C, sua resistência é a mais alta entre as três principais classes de ligas de titânio, embora sua resistência à temperatura ambiente seja geralmente inferior à das ligas β e (α+β). Uma liga representativa é a Ti-5Al-2,5Sn, utilizada em tanques de combustível de mísseis e carcaças de turbinas de aeronaves supersônicas.

Ligas de titânio beta

As ligas de titânio totalmente na fase β raramente são utilizadas industrialmente, pois apresentam densidade relativamente alta, baixa resistência ao calor e baixa resistência à oxidação. Acima de 700 °C, elas são facilmente contaminadas por gases impuros presentes na atmosfera, e seu processo de produção é complexo. No entanto, a estrutura cúbica de corpo centrado proporciona boa ductilidade, o que levou ao desenvolvimento de ligas de titânio β metaestáveis. Uma liga representativa é a Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Ela é geralmente utilizada abaixo de 350 °C para peças rotativas sujeitas a cargas pesadas, como pás de compressores, eixos e discos.

Ligas de titânio alfa-beta

As ligas de titânio (α+β) combinam as vantagens das ligas α e β. Elas oferecem boa resistência ao calor e ductilidade, podem ser reforçadas por tratamento térmico e são relativamente simples de produzir. A Ti-6Al-4V é a liga mais utilizada nesse grupo. É adequada para componentes de motores que exigem resistência a temperaturas elevadas abaixo de 400 °C e para componentes de tanques de hidrogênio líquido utilizados em baixas temperaturas em foguetes e mísseis.

Os turbocompressores para motores automotivos de liga de titânio e as pás forjadas com precisão para motores de aeronaves são componentes representativos.

Composições, propriedades e usos representativos