Liga de titânio

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As ligas de titânio são classificadas de acordo com a concentração de elementos de liga adicionados para modificar sua microestrutura e propriedades mecânicas. Os elementos de liga são divididos em α e β estabilizadores de acordo com a sua influência sobre a temperatura de transformação alotrópica do titânio. Dentre as suas diversas aplicações, destaca-se a indústria aeronáutica, aeroespacial, biomédica, naval e química.

Transformação alotrópica[editar | editar código-fonte]

O Titânio é um Metal de transição que possui uma transformação alotrópica em torno de 883 °C. Abaixo desta temperatura sua Estrutura cristalina é da forma hexagonal compacta, sendo denominada fase α. A fase β possui uma estrutura cúbica de corpo centrado, sendo formada em temperaturas acima de 883 °C e permanecendo estável até a fusão do metal. Como o titânio apresenta a camada de valência incompleta, o elemento pode formar soluções sólidas com uma variedade de elementos de liga, desde que possuam uma diferença de tamanho de até 20%. Os elementos de liga do titânio são classificados de acordo com a modificação que produzem na temperatura de transformação alotrópica.

Os elementos que aumentam a temperatura de transformação alotrópica são denominados de α-estabilizadores. Pertencem a este grupo os elementos Alumínio, Gálio e Germano, além dos intersticiais Carbono, Oxigênio e Nitrogênio. Os β-estabilizadores são elementos que diminuem a temperatura de transformação alotrópica do titânio, eles podem ser divididos em β-isomorfos ou β-eutetóides de acordo com a formação ou não de um composto intermetálico. Os elementos β-isomorfos constituem o Molibdênio, Vanádio, Tântalo e Nióbio, enquanto os β-eutetóides são o Ferro, Manganês, Cromo, Cobalto, Niquel, Cobre, Silício e Hidrogênio. Os metais Zircônio, Hafnio e Estanho não provocam grandes alterações na temperatura alotrópica, sendo classificados como elementos neutros.[1]

Classificação das ligas de titânio[editar | editar código-fonte]

As ligas de titânio são classificadas de acordo com as fases presentes em sua microestrutura. As ligas podem ser classificadas em α, quase-α, α+β, quase-β e β.

A determinação do tipo de liga de titânio pode ser realizada a partir das concentrações de Alumínio e Molibdênio equivalente no material. É uma forma de agrupar as ligas de acordo com a quantidade de elementos α e β estabilizadores. O alumínio e molibdênio equivalente são definidos por:

[Al]eq = [Al] + 1/6[Zr] + 1/3[Sn] + 10[O]

[Mo]eq = [Mo] + 1/5[Ta] + 1/3,6[Nb] + 1/2,5[W] + 1/1,5[V] + 1,25[Cr] + 1,25[Ni] + 1,7[Mn] + 1,7[Co] + 2,5[Fe]

Onde [x] indica a concentração em peso do elemento correspondente.

A ASTM (American Society for Testing and Materials) define uma classificação padrão para o titânio puro e algumas ligas vendidas comercialmente. Os graus de 1 a 4 definem o titânio comercialmente puro, com baixo níveis de elementos substitucionais e de Oxigênio intersticial, enquanto os demais definem algumas ligas com grande aplicação industrial.[2]

Titânio comercialmente puro (cp)[editar | editar código-fonte]

O Ticp faz parte da classe de ligas α e constitui os quatro graus definidos pela ASTM. O Ticp grau 1 possui as menores concentrações de oxigênio intersticial e Ferro residual. O oxigênio atua como um agente endurecedor e mantém a microestrutura na fase α, enquanto o ferro é um refinador dos grãos da fase β e diminui o endurecimento do material. O Ticp grau 1 possui a menor resistência mecânica, porém apresenta alta ductilidade e facilidade para trabalho a frio. O Ticp grau 2 é amplamente utilizado pela indústria em virtude de suas propriedades equilibradas de resistência mecânica e ductilidade. O Ticp grau 2 possui resistência mecânica semelhante ao Aço inoxidável comum, além de ser facilmente trabalhado a frio. O Ticp grau 3 possui resistência mecânica um pouco maior que o grau 2, em razão da maior concentração de oxigênio e Nitrogênio intersticial, porém sua ductilidade está abaixo dos demais. O Ticp grau 4 apresenta a maior resistência mecânica do grupo do titânio puro, sua utilização ocorre principalmente pelas indústrias aeronáutica e aeroespacial.

Tabela 1 - Graus ASTM para ligas de titânio comercial.[3]

Liga Composição (%p.)
Grau 1 a 4 Ticp
Grau 5 Ti-6Al-4V
Grau 6 Ti-5Al-2,5Sn
Grau 7 e 11 Ti-(0,12-0,25)Pd
Grau 9 Ti-3Al-2,5V
Grau 12 Ti-0,3Mo-0,8Ni
Grau 13, 14 e 15 Ti-0,5Ni-0,05Ru
Grau 16 e 17 Ti-(0,04-0,08)Pd
Grau 18 Ti-3Al-2,5V-(0,04-0,08)Pd
Grau 19 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo
Grau 20 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-(0,04-0,08)Pd
Grau 21 Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,25Si
Grau 23 Ti-6Al-4V-0,13O
Grau 24 Ti-6Al-4V-(0,3-0,8)Ni-(0,04-0,08)Pd
Grau 26 e 27 Ti-(0,08-0,14)Ru
Grau 28 Ti-3Al-2,8V-(0,08-0,14)Ru
Grau 29 Ti-6Al-4V-(0,08-0,14)Ru
Grau 30 e 31 Ti-0,3Co-0,05Pd
Grau 32 Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0,8Mo
Grau 33 e 34 Ti-0,4Ni-0,015Pd-0,025Ru-0,15Cr
Grau 35 Ti-4,5Al-2Mo-1,6V-0,5Fe-0,3Si
Grau 36 Ti-45Nb
Grau 37 Ti-1,5Al
Grau 38 Ti-4Al-2,5V-1,5Fe

Ligas α[editar | editar código-fonte]

O grupo das ligas α constituem o Ticp e ligas com a presença de elementos α-estabilizadores ou neutros. Estas ligas são caracterizadas por apresentar apenas a fase α na temperatura ambiente. Como não há a obtenção de fases metaestáveis com resfriamentos rápidos, os processos de tratamentos térmicos não apresentam variações na microestrutura. Podem ser utilizadas tanto em altas quanto em baixas temperaturas, devido à grande resistência a fluência e ausência de transição dúctil-frágil. Devido à sua estrutura hexagonal, as ligas α em geral apresentam boa resistência mecânica, tenacidade à fratura, alto módulo de elasticidade e baixa ductilidade. Suas aplicações envolvem principalmente a indústria química, militar e aeronáutica, em razão de sua elevada resistência a corrosão.

Ligas quase-α[editar | editar código-fonte]

As ligas quase-α são caracterizadas por possuírem uma pequena fração de fase β retida em sua microestrutura. A fase β retida é proveniente do aumento do campo α+β do titânio devido às pequenas concentrações de β-estabilizadores. Estas ligas apresentam quantidades de β-estabilizadores entre 1 e 2%.

Ligas α+β[editar | editar código-fonte]

As ligas α+β apresentam teores balanceados de elementos α e β estabilizadores, de modo que a faixa de formação de fases α e β é estendido para a temperatura ambiente. As ligas α+β podem conter desde 10% até 50% de fase β retida à temperatura ambiente. Processos de tratamentos térmicos e termo-mecânicos podem variar as concentrações volumétricas das fases α e β, alterando a microestrutura e resultando em uma ampla variação das propriedades mecânicas da liga.

Ligas quase-β[editar | editar código-fonte]

As ligas quase-β possuem elevadas quantidades de elementos β-estabilizadores misturados com pequenas concentrações de α-estabilizadores. Através de tratamentos térmicos, é possível obter a formação de fases metaestáveis ou mistura de fases α e β. Em geral, as ligas quase-β apresentam boa resistência mecânica e ductilidade.

Ligas β[editar | editar código-fonte]

As ligas β são formadas com grandes quantidades de elementos β-estabilizadoes, diminuindo acentuadamente a temperatura de mudança de fase. As ligas β metaestável são constituídas por uma quantidade de elementos suficientes para aumentar o campo α+β de forma a resultar em uma microestrutura predominantemente β com taxas de resfriamento rápidas. As ligas β estáveis possuem a temperatura de início da transformação alotrópica abaixo da temperatura ambiente, assim mesmo com resfriamento lento, é possível reter a fase β na microestrutura. Processos de tratamentos térmicos podem alterar significativamente a microestrutura e as propriedades destas ligas. Por apresentarem uma estrutura cúbica de corpo centrado, as ligas β realizam uma transição dúctil para frágil em baixas temperaturas, restringindo suas aplicações em temperaturas criogênicas. Além disso, possuem baixa resistência à fluência, que impede sua utilização em temperaturas elevadas. As ligas do tipo β tem encontrado aplicações principalmente como próteses e implantes ortopédicos, em virtude de seu menor módulo comparado as ligas α, além de sua excelente resistência à corrosão e biocompatibilidade.[4]

Tabela 2 – Composição e aplicações de algumas ligas comerciais de titânio.[5] [6]

Liga Composição (%p.) Aplicação
Grau 1 Ti-0,20Fe-0,18O-0,005H-0,05N-0,08C Utilizado principalmente pela marinha e indústria química como vasos de reatores, tubos de condensação e equipamento para dessanilização.
Grau 2 Ti-0,30Fe-0,20O-0,015H-0,05N-0,08C Além da utilização pela marinha e indústria química, também é utilizado em aeronáutica, como dutos de ar e turbinas.
Grau 3 Ti-0,30Fe-0,30O-0,015H-0,05N-0,08C Aplicação na marinha, aeronáutica e indústria química. Suas aplicações podem envolver faixas de temperaturas criogênicas.
Grau 4 Ti-0,30Fe-0,20O-0,015H-0,05N-0,08C Utilizado pela marinha, aeronáutica e indústria química em aplicações com altas temperaturas de serviço.
Grau 6 Ti-5Al-2,5Sn Utilizado em turbinas a gás, motores de foguetes e membro de estrutura de avião, além de algumas aplicações na indústria química.
Grau 9 Ti-3Al-2,5V Utilizados em tubos de sistemas hidráulicos, componentes de avião e equipamentos esportivos.
TIMETAL 1100 Ti-6Al-2,75Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si Utilizado em aplicações envolvendo resistência à fluência, como componentes automtivos.
Ti-64 Ti-6Al-4V Liga de titânio mais utilizada comercialmente, possui aplicações em componentes aeroespaciais, aeronáuticos, automotivos, navais e médicos.
Ti-6246 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Utilizado em temperaturas intermediárias, como discos compressores e turbinas a gás.
Ti-662 Ti-6Al-6V-2Sn Possui resistência mecânica maior que a Ti-64. É utilizado como membro estrutural de aviões e peças de motores de foguetes.
Ti-1023 Ti-10V-2Fe-3Al Suas principais aplicações são como componentes aeroespaciais e aeronáuticos, além de moldes para forjamentos de peças.
Ti-1313 Ti-13Nb-13Zr É uma liga biocompatível desenvolvida na década de 90. Suas principais aplicações encontram-se na forma de implantes biomédicos.
TNZT Ti-35Nb-7Zr-5Ta É a liga que possui o menor módulo de elasticidade. Sua principal aplicação é como implantes ortopédicos.
TMZF Ti-12Mo-6Zr-2Fe Devido ao seu módulo de elasticidade baixo, é grandemente utilizada como biomaterial.

Tabela 3 – Propriedades mecânicas de ligas de titânio.[7]

(E - Módulo de Young; LE - Limite de escoamento; LRT - Limite de resistência à tração; ε - Alongamento)

Liga Tipo E (GPa) LE (MPa) LRT (MPa) ε (%)
Grau 1 α 100 170-310 240 24
Grau 2 α 103 275-450 345 20
Grau 3 α 105 380-550 440 18
Grau 4 α 100-120 480-655 550 18
Grau 6 α 109 827 861 15
Grau 9 quase-α 95-105 480 620 15
TIMETAL 1100 quase-α 112 900-950 1010-1050 10-16
Ti-64 α+β 110-140 800-1100 900-1200 13-16
Ti-6246 α+β 114 1000-1100 1100-1200 13-16
Ti-662 α+β 110-117 950-1050 1000-1100 10-19
Ti-1023 quase-β 110 1000-1200 1000-1400 6-16
Ti-1313 quase-β 77 836-908 973-1037 10-16
TNZT β 55 547 596 19
TMZF β 74-85 100-1060 1060-1100 18-22

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. LÜTJERING, G.; WILLIAMS, J. C. Titanium – Engineering Materials and Processes, Springer, New York, 2003.
  2. DONACHIE, M. J. Titanium – a technical guide. ASM International: Ohio. 1988.
  3. ASM HANDBOOK.Properties and selection: nonferrous alloys special-purpose materials. v. 2, ASM International: EUA. 2005.
  4. LEYENS, C.; PETERS, M. Titanium and titanium alloys – fundamentals and applications. Wiley-VHC: Weinheim. 2003.
  5. MOISEYEV, V. N. Titanium alloys – Russian aircraft and aerospace applications. CRC Press: New York. 2006.
  6. ZARDIAKAS, L. D.; KRAAY, M. J.; FREESE, H. L. Titanium, niobium, zirconium and tantalum for medical and surgical applications. ASTM International: Washington, 2004.
  7. BOYER, R.; WELSCH, G.; COLLINGS, E. W. Materials properties handbook: titanium alloys. ASM International: USA. 1994.