Liga de titânio - Titanium alloy

Ligas de titânio são ligas que contêm uma mistura de titânio e outros elementos químicos . Essas ligas têm resistência à tração e tenacidade muito altas (mesmo em temperaturas extremas). Eles são leves, têm extraordinária resistência à corrosão e a capacidade de suportar temperaturas extremas. No entanto, o alto custo das matérias-primas e do processamento limita seu uso para aplicações militares , aeronaves , espaçonaves , bicicletas , dispositivos médicos, joias, componentes altamente estressados, como bielas em carros esportivos caros e alguns equipamentos esportivos premium e eletrônicos de consumo .

Embora o titânio "comercialmente puro" tenha propriedades mecânicas aceitáveis ​​e tenha sido usado para implantes ortopédicos e dentários , para a maioria das aplicações o titânio é ligado com pequenas quantidades de alumínio e vanádio , tipicamente 6% e 4% respectivamente, em peso. Esta mistura tem uma solubilidade sólida que varia dramaticamente com a temperatura, permitindo que sofra um fortalecimento por precipitação . Este processo de tratamento térmico é realizado após a liga ter sido trabalhada em sua forma final, mas antes de ser colocada em uso, permitindo uma fabricação muito mais fácil de um produto de alta resistência.

Categorias

As ligas de titânio são geralmente classificadas em quatro categorias principais:

  • Ligas alfa que contêm elementos de liga neutra (como estanho ) e / ou estabilizadores alfa (como alumínio ou oxigênio ) apenas. Estes não são tratáveis ​​termicamente. Os exemplos incluem: Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
  • As ligas quase alfa contêm pequena quantidade de fase beta dúctil . Além dos estabilizadores de fase alfa, as ligas quase alfa são ligadas com 1–2% de estabilizadores de fase beta, como molibdênio, silício ou vanádio. Os exemplos incluem: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo, IMI 685, Ti 1100.
  • Ligas alfa e beta, que são metaestáveis ​​e geralmente incluem alguma combinação de estabilizadores alfa e beta, e que podem ser tratadas termicamente. Os exemplos incluem: Ti-6Al-4V , Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb .
  • Beta e quase beta ligas, que são metaestáveis ​​e que contêm estabilizadores beta suficientes (como molibdênio, silício e vanádio) para permitir que eles mantenham a fase beta quando temperadas, e que também podem ser tratados com solução e envelhecidos para melhorar a resistência. Os exemplos incluem: Ti-10V-2Fe-3Al , Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15-3.

Beta-titânio

As ligas de titânio beta exibem a forma alotrópica BCC do titânio (chamada beta). Os elementos usados ​​nesta liga são um ou mais dos seguintes, além de titânio em quantidades variáveis. São eles molibdênio , vanádio , nióbio , tântalo , zircônio , manganês , ferro , cromo , cobalto , níquel e cobre .

As ligas de titânio têm excelente conformabilidade e podem ser facilmente soldadas.

O beta titânio é hoje amplamente utilizado na área ortodôntica e foi adotado para uso ortodôntico na década de 1980. Esse tipo de liga substituiu o aço inoxidável para determinados usos, já que o aço inoxidável dominou a ortodontia desde a década de 1960. Possui relações de resistência / módulo de elasticidade quase duas vezes aquelas do aço inoxidável austenítico 18-8, maiores deflexões elásticas nas molas e força reduzida por unidade de deslocamento 2,2 vezes menor que a dos aparelhos de aço inoxidável.

Algumas das ligas de titânio beta podem se converter em ômega-titânio hexagonal duro e quebradiço em temperaturas criogênicas ou sob a influência de radiação ionizante.

Temperatura de transição

A estrutura cristalina do titânio à temperatura e pressão ambiente é fase α hexagonal compacta com razão ac / a de 1,587. A cerca de 890 ° C, o titânio sofre uma transformação alotrópica para uma fase β cúbica centrada no corpo que permanece estável à temperatura de fusão.

Alguns elementos de liga, chamados de estabilizadores alfa, aumentam a temperatura de transição alfa-beta , enquanto outros (estabilizadores beta) diminuem a temperatura de transição. Alumínio, gálio , germânio , carbono , oxigênio e nitrogênio são estabilizadores alfa. Molibdênio , vanádio , tântalo , nióbio , manganês , ferro , cromo , cobalto , níquel , cobre e silício são estabilizadores beta.

Propriedades

Geralmente, o titânio em fase beta é a fase mais dúctil e a fase alfa é mais forte, mas menos dúctil, devido ao maior número de planos deslizantes na estrutura bcc da fase beta em comparação com a fase alfa hcp . O titânio da fase alfa-beta tem uma propriedade mecânica que está entre os dois.

O dióxido de titânio se dissolve no metal em altas temperaturas e sua formação é muito enérgica. Esses dois fatores significam que todo titânio, exceto o mais cuidadosamente purificado, tem uma quantidade significativa de oxigênio dissolvido e, portanto, pode ser considerado uma liga de Ti – O. Precipitados de óxido oferecem alguma resistência (como discutido acima), mas não respondem muito ao tratamento térmico e podem diminuir substancialmente a tenacidade da liga.

Muitas ligas também contêm titânio como um aditivo menor, mas como as ligas são normalmente classificadas de acordo com o elemento que forma a maioria do material, elas geralmente não são consideradas "ligas de titânio" como tais. Veja o subartigo sobre aplicações de titânio .

O titânio sozinho é um metal leve e forte. É mais forte do que os aços comuns de baixo carbono, mas 45% mais leve. Também é duas vezes mais forte que ligas de alumínio fracas, mas apenas 60% mais pesado. O titânio tem excelente resistência à corrosão pela água do mar e, portanto, é usado em eixos de hélice, cordames e outras partes de barcos expostos à água do mar. O titânio e suas ligas são usados ​​em aviões, mísseis e foguetes onde a força, o baixo peso e a resistência a altas temperaturas são importantes. Além disso, uma vez que o titânio não reage dentro do corpo humano, ele e suas ligas são usados ​​em juntas artificiais, parafusos e placas para fraturas e para outros implantes biológicos. Veja: Implantes ortopédicos de titânio .

Graus de titânio

O padrão ASTM International para tubos sem costura de titânio e liga de titânio faz referência às seguintes ligas, exigindo o seguinte tratamento:

"As ligas podem ser fornecidas nas seguintes condições: Graus 5, 23, 24, 25, 29, 35 ou 36 recozidos ou envelhecidos; Graus 9, 18, 28 ou 38 trabalhados a frio e aliviados de tensão ou recozidos; Graus 9 , 18, 23, 28 ou 29 condição beta transformada; e Graus 19, 20 ou 21 tratados com solução ou tratados com solução e envelhecidos. "

"Nota 1 - o material de grau H é idêntico ao grau numérico correspondente (ou seja, Grau 2H = Grau 2), exceto para o UTS mínimo garantido mais alto , e pode sempre ser certificado como atendendo aos requisitos de seu grau numérico correspondente. Graus 2H, 7H, 16H e 26H são destinados principalmente para uso em vasos de pressão. "

"Os graus H foram adicionados em resposta a um pedido de associação de usuários com base em seu estudo de mais de 5.200 relatórios de teste comerciais de grau 2, 7, 16 e 26, onde mais de 99% atenderam ao UTS mínimo de 58 ksi."

Grau 1
é a liga de titânio mais dúctil e mais macia. É uma boa solução para conformação a frio e ambientes corrosivos. ASTM / ASME SB-265 fornece os padrões para chapas e chapas de titânio comercialmente puro.
Grau 2
Titânio sem liga, oxigênio padrão.
Grau 2H
Titânio não ligado (Grau 2 com UTS mínimo de 58 ksi).
3ª série
Titânio sem liga, oxigênio médio.
As classes 1 a 4 não têm liga e são consideradas comercialmente puras ou "CP". Geralmente, a resistência à tração e ao escoamento aumenta com o número da classe para essas classes "puras". A diferença em suas propriedades físicas se deve principalmente à quantidade de elementos intersticiais . Eles são usados ​​para aplicações de resistência à corrosão onde custo, facilidade de fabricação e soldagem são importantes.
Grau 5 também conhecido como Ti6Al4V , Ti-6Al-4V ou Ti 6-4
não deve ser confundido com Ti-6Al-4V-ELI (Grau 23), é a liga mais comumente usada. Tem uma composição química de 6% de alumínio, 4% de vanádio, 0,25% (máximo) de ferro , 0,2% (máximo) de oxigênio e o restante de titânio. É significativamente mais forte do que o titânio comercialmente puro (graus 1-4), embora tenha a mesma rigidez e propriedades térmicas (excluindo a condutividade térmica, que é cerca de 60% menor no Ti Grau 5 do que no Ti CP). Entre suas muitas vantagens, é tratável termicamente. Esta classe é uma excelente combinação de força, resistência à corrosão, soldabilidade e capacidade de fabricação.

"Esta liga alfa-beta é a liga robusta da indústria de titânio. A liga é totalmente tratável termicamente em tamanhos de seção de até 15 mm e é usada até aproximadamente 400 ° C (750 ° F). Por ser a mais comumente usada liga - mais de 70% de todos os tipos de ligas fundidas são um sub-grau de Ti6Al4V, seus usos abrangem muitos usos de fuselagem aeroespacial e componentes de motor e também as principais aplicações não aeroespaciais nas indústrias naval, offshore e de geração de energia em particular. "

" Aplicações : Lâminas, discos, anéis, fuselagens, fixadores, componentes. Vasos, caixas, cubos, forjados. Implantes biomédicos."

Geralmente, o Ti-6Al-4V é usado em aplicações de até 400 graus Celsius. Tem uma densidade de aproximadamente 4420 kg / m 3 , módulo de Young de 120 GPa e resistência à tração de 1000 MPa. Em comparação, o aço inoxidável 316 recozido tem uma densidade de 8.000 kg / m 3 , módulo de 193 GPa e resistência à tração de 570 MPa. A liga de alumínio 6061 temperada tem uma densidade de 2700 kg / m 3 , módulo de 69 GPa e resistência à tração de 310 MPa, respectivamente.
As especificações padrão do Ti-6Al-4V incluem:
  • AMS: 4911, 4928, 4965, 4967, 6930, 6931, T-9046, T9047
  • ASTM: B265, B348, F1472
  • MIL: T9046 T9047
  • DMS: 1592, 1570
6ª série
contém 5% de alumínio e 2,5% de estanho. É também conhecido como Ti-5Al-2.5Sn. Esta liga é usada em fuselagens e motores a jato devido à sua boa soldabilidade, estabilidade e resistência em temperaturas elevadas.
Nota 7
contém 0,12 a 0,25% de paládio . Este grau é semelhante ao grau 2. A pequena quantidade de paládio adicionada confere-lhe maior resistência à corrosão em frestas em baixas temperaturas e alto pH .
Série 7H
é idêntico ao Grau 7 com maior resistência à corrosão.
9ª série
contém 3,0% de alumínio e 2,5% de vanádio. Este grau é um compromisso entre a facilidade de soldagem e fabricação dos graus "puros" e a alta resistência do Grau 5. É comumente usado em tubos de aeronaves para hidráulica e em equipamentos esportivos.
Grau 11
contém 0,12 a 0,25% de paládio. Este grau aumentou a resistência à corrosão.
Grau 12
contém 0,3% de molibdênio e 0,8% de níquel.
13º , 14º e 15º anos
todos contêm 0,5% de níquel e 0,05% de rutênio .
Grau 16
contém 0,04 a 0,08% de paládio. Este grau aumentou a resistência à corrosão.
Grau 16H
contém 0,04 a 0,08% de paládio.
Série 17
contém 0,04 a 0,08% de paládio. Este grau aumentou a resistência à corrosão.
18ª série
contém 3% de alumínio, 2,5% de vanádio e 0,04 a 0,08% de paládio. Este grau é idêntico ao grau 9 em termos de características mecânicas. O paládio adicionado aumenta a resistência à corrosão.
19ª série
contém 3% de alumínio, 8% de vanádio, 6% de cromo, 4% de zircônio e 4% de molibdênio.
20ª série
contém 3% de alumínio, 8% de vanádio, 6% de cromo, 4% de zircônio, 4% de molibdênio e 0,04% a 0,08% de paládio.
21ª série
contém 15% de molibdênio, 3% de alumínio, 2,7% de nióbio e 0,25% de silício.
Grau 23 também conhecido como Ti-6Al-4V-ELI ou TAV-ELI
contém 6% de alumínio, 4% de vanádio, 0,13% (máximo) de oxigênio. ELI significa Extra Low Interstitial. Elementos intersticiais reduzidos de oxigênio e ferro melhoram a ductilidade e a resistência à fratura com alguma redução na resistência. TAV-ELI é a liga de titânio de grau de implante médico mais comumente usada .
As especificações padrão do Ti-6Al-4V-ELI incluem:
  • AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
  • ASTM: B265, B348, F136
  • MIL: T9046 T9047
24ª série
contém 6% de alumínio, 4% de vanádio e 0,04% a 0,08% de paládio.
25ª série
contém 6% de alumínio, 4% de vanádio e 0,3% a 0,8% de níquel e 0,04% a 0,08% de paládio.
Grades 26 , 26H e 27
todos contêm 0,08 a 0,14% de rutênio.
28ª série
contém 3% de alumínio, 2,5% de vanádio e 0,08 a 0,14% de rutênio.
29ª série
contém 6% de alumínio, 4% de vanádio e 0,08 a 0,14% de rutênio.
30 e 31 anos
contém 0,3% de cobalto e 0,05% de paládio.
Grau 32
contém 5% de alumínio, 1% de estanho, 1% de zircônio, 1% de vanádio e 0,8% de molibdênio.
Graus 33 e 34
contêm 0,4% de níquel, 0,015% de paládio, 0,025% de rutênio e 0,15% de cromo.
Série 35
contém 4,5% de alumínio, 2% de molibdênio, 1,6% de vanádio, 0,5% de ferro e 0,3% de silício.
Grau 36
contém 45% de nióbio.
Série 37
contém 1,5% de alumínio.
Grau 38
contém 4% de alumínio, 2,5% de vanádio e 1,5% de ferro. Esta classe foi desenvolvida na década de 1990 para uso como blindagem. O ferro reduz a quantidade de vanádio necessária como um estabilizador beta. Suas propriedades mecânicas são muito semelhantes às do Grau 5, mas tem boa trabalhabilidade a frio semelhante ao Grau 9.

Tratamento térmico

As ligas de titânio são tratadas termicamente por uma série de razões, sendo as principais para aumentar a resistência por tratamento em solução e envelhecimento, bem como para otimizar propriedades especiais, como tenacidade à fratura, resistência à fadiga e resistência à fluência em alta temperatura.

As ligas alfa e quase alfa não podem ser alteradas drasticamente por tratamento térmico. O alívio de tensões e o recozimento são os processos que podem ser empregados para essa classe de ligas de titânio. Os ciclos de tratamento térmico para ligas beta diferem significativamente daqueles para ligas alfa e alfa-beta. As ligas beta podem não apenas ter alívio de tensões ou recozimento, mas também podem ser tratadas com solução e envelhecidas. As ligas alfa-beta são ligas de duas fases, compreendendo as fases alfa e beta à temperatura ambiente. As composições de fase, tamanhos e distribuições de fases em ligas alfa-beta podem ser manipulados dentro de certos limites por tratamento térmico, permitindo assim a adaptação das propriedades.

Ligas alfa e quase alfa
A microestrutura das ligas alfa não pode ser fortemente manipulada por tratamento térmico, uma vez que as ligas alfa não sofrem nenhuma mudança de fase significativa. Como resultado, a alta resistência não pode ser adquirida para as ligas alfa por tratamento térmico. Ainda assim, as ligas de titânio alfa e quase alfa podem ser aliviadas de tensões e recozidas.
Ligas alfa-beta
Trabalhando bem como o tratamento térmico de ligas alfa-beta abaixo ou acima da temperatura de transição alfa-beta, grandes mudanças microestruturais podem ser alcançadas. Isso pode causar um endurecimento substancial do material. O tratamento em solução mais envelhecimento é usado para produzir resistências máximas em ligas alfa-beta. Além disso, outros tratamentos térmicos, incluindo tratamentos térmicos de alívio de tensão, também são praticados para este grupo de ligas de titânio.
Ligas beta
Em ligas beta comerciais, o alívio de tensões e os tratamentos de envelhecimento podem ser combinados.

Ligas de titânio por aplicação ou uso

Estruturas aeroespaciais

O titânio é usado regularmente na aviação por sua resistência à corrosão e ao calor e sua alta relação resistência / peso. As ligas de titânio são geralmente mais fortes do que as ligas de alumínio, embora sejam mais leves do que o aço.

Revestimento arquitetônico

Ligas de titânio usadas biomedicamente

Placa de titânio para pulso

As ligas de titânio têm sido amplamente utilizadas para a fabricação de substitutos de articulações ortopédicas de metal e cirurgias de placa óssea. Normalmente são produzidos a partir de barras forjadas ou fundidas por CNC , usinagem orientada a CAD ou produção de metalurgia do pó . Cada uma dessas técnicas apresenta vantagens e desvantagens inerentes. Produtos trabalhados vêm com uma grande perda de material durante a usinagem na forma final do produto e para amostras de fundição, a aquisição de um produto em sua forma final limita um pouco o processamento e o tratamento adicionais (por exemplo, endurecimento por precipitação ), embora a fundição seja mais eficaz no material. Os métodos tradicionais de metalurgia do pó também são mais eficientes em termos de material, embora a aquisição de produtos totalmente densos possa ser um problema comum.

Com o surgimento da fabricação de forma livre sólida ( impressão 3D ), a possibilidade de produzir implantes biomédicos personalizados (por exemplo, articulações do quadril) foi realizada. Embora não seja aplicado atualmente em uma escala maior, os métodos de fabricação de forma livre oferecem a capacidade de reciclar o pó residual (do processo de fabricação) e contribui para a seletividade, adaptando as propriedades desejáveis ​​e, portanto, o desempenho do implante. A fusão por feixe de elétrons (EBM) e a fusão seletiva a laser (SLM) são dois métodos aplicáveis ​​para a fabricação de forma livre de ligas de Ti. Os parâmetros de fabricação influenciam muito a microestrutura do produto, onde, por exemplo, uma taxa de resfriamento rápida em combinação com baixo grau de fusão em SLM leva à formação predominante da fase alfa martensítica alfa, dando um produto muito duro.

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI
Esta liga tem boa biocompatibilidade e não é citotóxica nem genotóxica. Ti-6Al-4V sofre de fraca resistência ao cisalhamento e propriedades de desgaste superficial pobres em certas condições de carregamento:

Biocompatibilidade : Excelente, especialmente quando o contato direto com tecido ou osso é necessário. A fraca resistência ao cisalhamento do Ti-6Al-4V o torna indesejável para parafusos ou placas ósseas. Ele também tem propriedades de desgaste de superfície pobres e tende a se agarrar quando em contato deslizante consigo mesmo e com outros metais. Os tratamentos de superfície, como nitretação e oxidação, podem melhorar as propriedades de desgaste da superfície.

Ti-6Al-7Nb
Esta liga foi desenvolvida como um substituto biomédico para o Ti-6Al-4V, pois o Ti-6Al-4V contém vanádio, um elemento que demonstrou resultados citotóxicos quando isolado. Ti-6Al-7Nb contém 6% de alumínio e 7% de nióbio.

Ti6Al7Nb é uma liga de titânio dedicada de alta resistência com excelente biocompatibilidade para implantes cirúrgicos. Usado para substituição de articulações do quadril, está em uso clínico desde o início de 1986.

Referências

Notas
Fontes

links externos