Quando algumas pessoas pensam em materiais avançados, na maioria dos casos, a indústria aeroespacial e/ou militar lhes vem à mente. Tomando como exemplo os aviões, estes são movidos pelo turbojato. Este é um motor a jato que respira ar. Geralmente é um motor de combustão interna grande e barulhento que aspira muito ar cm3. Consiste em uma turbina a gás com um bico propulsor. A turbina a gás tem uma entrada de ar, um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina (que aciona o compressor). O ar comprimido do compressor é aquecido pelo combustível na câmara de combustão e depois expandido através da turbina. A exaustão da turbina é então expandida no bocal de propulsão, onde é acelerada a alta velocidade para fornecer impulso. Assim, o motor turbojato tem grandes dimensões e é capaz de produzir alta velocidade de rotação. Além disso, suas pás de turbina devem ser leves. O titânio (Ti) é um tipo de material capaz de operar sob altas tensões térmicas e cargas centrífugas. Não surpreendentemente, 80% do Ti é usado pela indústria aeroespacial.

O problema das ligas de Ti é a oxidação rápida e sua camada de óxido que só permanece protetora até certa temperatura (T). A operação máxima T do Ti é consideravelmente inferior ao seu ponto de fusão, 400 e 1670°C, respectivamente. Esta operação T é sugerida devido ao problema das propriedades mecânicas diminuirem com a temperatura (gráfico página 5). Em operação contínua com T acima de 400ºC a resistência à oxidação diminui e o material começa a se desprender das partes oxidadas porque estas se tornam quebradiças. O TiO2 (óxido de titânio) é quebradiço, tem aspecto de cor branca e é formado porque a resistência à oxidação das ligas de Ti em alta T é baixa. No entanto, à temperatura ambiente (RT) as ligas de Ti se comportam muito bem. Inicialmente é rapidamente corroído e depois passivado na camada de TiO2, uma superfície passivadora. Em T alto este não funciona, pois o coeficiente de difusão de oxigem dentro do TiO2 ficou extremamente grande e não está mais protegendo o material.

O Ti tem uma estrutura alotrópica como hexagonal compacto (HCP) e cúbico de corpo centrado (BCC). Em RT tem a estrutura alfa HCP, ou alfa-Ti, mas tornou-se uma BCC na temperatura beta-transus, que é 890 oC. Isso sugere que em T alto, o Ti tornou-se menos tolerante à deformação plástica. A razão é que a estrutura BCC tem planos de deslizamento mais baixos para que as discordâncias ocorram. Apesar disso, seu prisma é um pouco menor que os valores teóricos, c/a = 1,587 e th = 1,633. Este, além dos planos basal, piramidal e prismático, fornecem meios para que o deslocamento ocorra no RT. Portanto, o Ti é plasticamente moldável nesta condição. Outro efeito é ser anisotrópico, que são as propriedades mecânicas distintas ao longo de eixos diferentes, por exemplo, eixos c e a. A anisotropia tornou-se mais influente à medida que o Ti é deformado plasticamente.

Portanto, o módulo de elasticidade (E) do Ti varia em relação ao ângulo gama que é o ângulo de direção da tensão. Vai de 145 GPa, com tensões ao longo do eixo do prisma hexagonal, a 100 GPa que é obtido com tensões ao longo da direção perpendicular em relação ao eixo do prisma hexagonal. Essa variação também significa que o comportamento elástico e plástico do Ti também muda. Em aplicações gerais a liga de Ti tem estrutura policristalina que normalmente exibe E cerca de 110 GPa. Os principais parâmetros de Ti são:

• Ponto de fusão: 1670 °C;
• Densidade: 4,51 g/cm3;
• Temperatura máxima de uso: T < 400°C.

Aplicações automotivas

Os componentes comumente feitos de ligas de Ti são válvulas, molas de válvulas, retentores, bielas, molas de suspensão, escapamentos, silenciadores e silenciadores. Em geral, a indústria automotiva utiliza a liga de Ti em componentes que requerem baixa inércia, boas propriedades em alta temperatura e redução da massa não suspensa. Também é usado em turbocompressores devido à grande resistência à oxidação em alta T e seu peso leve. Neste caso, o objetivo principal é evitar o turbo lag. Por isso, são usados em componentes com movimentos cíclicos e alternativos em ambientes de alta temperatura.

Anisotropia

Está claro que devido ao empacotamento atômico mais denso ao longo do eixo c (<0001> direção) um valor máximo do módulo de Young ocorre nesta direção, o que mostra uma diminuição gradual com o aumento do ângulo feito com o eixo c. Também é aparente que esta variação pode explicar diferenças de até 40GPa, o que altera significativamente a resposta mecânica da liga. No entanto, essas alterações não afetam apenas a deformação elástica dessas ligas, mas também a deformação plástica, em termos de orientação dos planos de deslizamento com cisalhamento resolvido crítico relativamente baixo.

Soluções sólidas

A liga de Ti pode originar soluções sólidas pela adição de elementos de liga como H, B, C e O que formam intersticiais. Esses elementos têm raio atômico muito baixo. Os elementos de liga que possuem maior raio atômico formam soluções sólidas substitucionais. Estes são menos eficazes como solução sólida intersticial. O principal elemento de liga para isso é o oxigênio (O) que resulta em efeitos semelhantes ao carbono (C) nos aços. Portanto, a quantidade de O nas ligas de Ti aumenta a resistência ao escoamento (YS), mas ao custo da tenacidade. Por exemplo, uma liga de Ti grau 4 tem grandes propriedades mecânicas estáticas (YS, UTS, E), mas definitivamente pobres mecânicas dinâmicas (resistência ao impacto). O uso do O se justifica pelo seu baixo custo, mas é difícil controlar sua quantidade durante o processo de fabricação dessas ligas.

Ligas de titânio

Em geral, as ligas de Ti têm uma composição de 99,0-99,5% de Ti e o restante é de elementos de liga como ferro (Fe), nitrogênio (N), O e C. O O O é o elemento de liga mais importante, pois é responsável pela melhoria do YS. Apenas 0,1% de O é suficiente para aumentar YS em 120 MPa. Além disso, todos os outros elementos de liga são avaliados em uma equação de O equivalente:

Oeq = O% + 2N% + 2/3C%

Como pode ser visto, a quantidade de N dobra o efeito O na composição da liga de Ti enquanto o C tem um impacto menor. Isso pode melhorar a resistência do material, mas, como já mencionado, ao custo de tenacidade e deformação. No entanto, uma forma de evitar a fragilização da liga de Ti é realizar um processo de re-fusão sob condição de vácuo para obter intersticiais ainda menores. Isso é chamado de condições de intersticiais extra baixos (ELI) e é necessário para aplicações de Ti com tenacidade obrigatória. Um resumo das características das ligas de Ti é dado abaixo:

Ti “puro”: 99,5-99,0%Ti • principais ligas de gel: Fe, C, O, N (intersticiais) • pode ser considerado uma fase em que o teor de O determina as propriedades mecânicas %O equivalente = %O + 2%N + 0,67%C – Cada 0,1%O equivalente faz o UTS crescer em aprox. 120 MPa – No entanto, isso acontece às custas da resistência • Se for necessária uma alta resistência, as versões ELI (Extra-Low Intersticiais) devem ser preferidas.

Grau 1

A liga Ti de grau 1 é a mais pura entre os primeiros graus. Portanto, este tem a melhor ductilidade, impacto e resistência à corrosão em relação aos outros. A sua aplicação na indústria automóvel restringe-se a componentes que não requerem uma elevada resistência mecânica, mas sim uma boa resistência à corrosão e em aplicações onde a conformabilidade é imprescindível. Geralmente é fornecido em placas e tubos. Os exemplos da área industrial são processamento químico, dessalinização, arquitetura, indústria médica, indústria naval, peças automotivas, estrutura de fuselagem.

Grau 2

A liga Ti grau 2 é a mais utilizada desse tipo de liga. Possui maior quantidade de O em relação ao grau 1, mas apresenta resistência à corrosão, conformabilidade e ductilidade semelhantes a este. Devido à maior quantidade de O, a resistência à tração (TS) e YS maior são maiores que o grau 1, mas também possuem boa soldabilidade. A liga de Ti grau 2 é fornecida na forma de chapas e barras e também é usada nas seguintes aplicações: Arquitetura, Geração de energia, Indústria médica, Coberturas de tubos de escape, Pele de fuselagem, Dessalinização, Processamento químico.

Grau 3

A liga de Ti grau 3 é a menos utilizada, pois a maior quantidade de O torna este material muito forte e com todas as consequências da oxidação. Em outras palavras, baixa resistência à corrosão e resistência ao impacto. A formabilidade é semelhante ao grau 1 e 2. Isso também limita a aplicação desta liga nas indústrias aeroespacial, química, médica e marítima.

Grau 4

A liga Ti de grau 4 é a mais forte entre os quatro primeiros graus. Possui excelente conformabilidade, ductilidade e resistência à corrosão. Além disso, também apresenta boa soldabilidade. A resistência ao impacto ainda é baixa o que concentra sua aplicação na área médica. Além disso, componentes de fuselagem, vasos criogênicos, trocadores de calor, tubos de condensação, equipamentos cirúrgicos.

Soluções sólidas

As ​​ligas alfa e beta de Ti são feitas pela adição de seus elementos estabilizadores que são alumínio (Al) e vanádio (V), respectivamente. No caso alfa, à medida que o Al% aumenta, a existência do alfa também aumenta. No caso beta, à medida que o V% aumenta, a existência do beta é estendida. No entanto, em elementos que seguem o diagrama de fases eutetóide, eles são considerados como estabilizadores beta. Isso é assumido porque sob taxas de resfriamento convencionais os estabilizadores beta não seguem mais o gráfico. Esses elementos são substitucionais, assim quando se solidificam o processo não segue a linha, ele a extrapola. O movimento de seus átomos no Ti é dado por difusão e isso no estado sólido ocorre em baixa taxa. Portanto, pelas taxas de resfriamento convencionais, esses elementos não seguem o diagrama de fases, mas fazem outro caminho. Este comportamento é diferente dos aços. Neste caso, o elemento de liga é C e é intersticial. Os elementos de liga que são estabilizadores beta são substitucionais e são maiores que os intersticiais. Para a fase alfa, os estabilizadores são Al e fino (Sn). Para estabilizadores beta, os elementos são molibdênio (Mo), V e tungstênio (W). Finalmente, para estabilizadores beta-eutetóides os elementos de liga são manganês (Mn), cobre (Cu), hidrogênio (H), Fe, níquel (Ni) e cobalto (Co).

α-titânio estabilizado

As ​​ligas alfa-Ti tiram vantagem do número de planos de deslizamento. Pode sofrer uma deformação plástica de 90% sem quebrar. De acordo com a teoria de Von Misses, são necessários 5 sistemas de deslizamento independentes para fornecer uma deformação plástica semelhante. Embora este tipo de liga de Ti tenha apenas 4, a quinta ocorre por geminações como nos aços de plasticidade induzida por geminação (TWIP).

A liga de Ti estabilizada alfa tem o Al como principal elemento de liga devido à sua baixa densidade. Em geral esta liga não pode ser tratada termicamente, pois a solução sólida alfa é obtida à temperatura ambiente. No entanto, o reforço da solução pode ser realizado. Esta liga proporciona boa soldabilidade, conformabilidade, resistência à corrosão e estabilidade térmica em altas T. Como o Al é o principal elemento de liga, os demais são quantificados em relação a uma quantidade equivalente de Al. Isso é dado pela seguinte fórmula:

Aleq = Al% + 1/3 Sn% + 1/6 Zr% + 10 (O% + 2 N% + C%)

Como pode ser visto, a equivalência Al também é influenciada pela porcentagem O. A oxidação consome novo material pelo Ti agarrando O. Quando o O se difunde dentro do Ti, cria uma capa alfa, que é uma fina camada de alfa-Ti envolvendo o Ti. Isso ocorre porque O é um intersticial dentro do Ti e também um alfa-estabilizador. No caso da liga de Al grau 5, o caso alfa seria o caso alfa+beta. Por esta razão é necessário controlar a quantidade de O, pois altera drasticamente as propriedades mecânicas do Ti.

As ​​ligas de Ti estabilizado alfa possuem três variações que são: fase alfa total, fase próxima da fase alfa, que possui 2% de fase beta, e a endurecível por envelhecimento, que possui outra elemento de liga. Neste caso, 2,5% de Cu que forma o TiCu3. Em geral, essas três ligas proporcionam boa conformabilidade e soldabilidade, resistência à oxidação e à fluência.

As ​​ligas de Ti estabilizado alfa são geralmente usadas em dois tipos de operação, uma é até 480 oC e a outra é por curtos períodos a 600 oC. Estes qualificam a liga de Ti estabilizada alfa para ser usada em vasos criogênicos, peças de aeronaves e tanques. No segundo caso, podem ser aplicados em motores a jato, mísseis e sistemas de exaustão. Neste último podem ser mencionados os sistemas de escape do carro Audi vencedor de Le Mans, que a Audi deliberadamente usou Ti para seus sistemas de escape. Ao final, grande parte do sistema se desprendeu durante a corrida devido à oxidação em temperaturas em torno de 600 oC.

A camada de óxido de Ti é boa como a camada de óxido de Al, mas esta é uma barreira contra a difusão de O em T muito alta. Assim, os componentes de Al derretem antes que possam ser obtidos pela passagem de O através da camada de alumina. Em Ti a 500 oC há a formação de óxido, mas este não protege contra a entrada de O. Nessa condição ele passa pelo óxido e vai diretamente para o Ti, que oxida e começa a crescer. O volume específico do óxido é diferente dos de Ti. Daí ocorre a corrosão descamação do leito e este óxido se desprende da superfície expondo o Ti nu à oxidação. Portanto, a camada de óxido de Ti não é protetora em altas T. Abaixo um resumo das ligas de Ti estabilizadas em alfa:

• Solubilidade sólida até 8% à temperatura ambiente;
• Fortalecimento de solução sólida;
• Geralmente não tratável termicamente;
• Densidade mais baixa;
• Soldável;
• Boa estabilidade térmica e resistência à oxidação em altas T.
• ligas de β-titânio

As ​​ligas de Ti estabilizadas beta são compostas principalmente pela fase beta que é fornecida por elementos de liga adequados. Estes são Mo, V, W, Ta e Si. Portanto, as ligas de Ti-beta podem sofrer tratamento térmico. Este processo começa com o fortalecimento da solução que causa a transformação alfa-beta. Alfa é estável em RT enquanto beta é estável acima de beta-transus T. Um processo de extinção ocorre em alta taxa de resfriamento que evita beta -> transformação alfa. O processo de envelhecimento é a última etapa do tratamento térmico. Isso resulta na transformação parcial da fase beta metaestável em grãos alfa finos. Portanto, uma alta resistência ao custo de algum grau de ductilidade. Para melhorar a resistência à queima em T alto, pode ser feita a adição de cromo (Cr). Portanto, isso torna possível melhorar o T de trabalho até 510 oC, mas com custo de peso devido à densidade do Cr. Devido a essas características, as ligas de Ti estabilizado beta são normalmente utilizadas pela indústria aeroespacial como em peças de motores de aeronaves.

ligas de β-titânio

As ligas de Ti estabilizadas beta são compostas principalmente pela fase beta que é fornecida por elementos de liga adequados. Estes são Mo, V, W, Ta e Si. Portanto, as ligas de Ti-beta podem sofrer tratamento térmico. Este processo começa com o fortalecimento da solução que causa a transformação alfa-beta. Alfa é estável em RT enquanto beta é estável acima de beta-transus T. Um processo de extinção ocorre em alta taxa de resfriamento que evita a transformação beta -> alfa. O processo de envelhecimento é a última etapa do tratamento térmico. Isso resulta na transformação parcial da fase beta metaestável em grãos alfa finos. Portanto, uma alta resistência ao custo de algum grau de ductilidade. Para melhorar a resistência à queima em T alto, pode ser feita a adição de cromo (Cr). Portanto, isso torna possível melhorar a T de trabalho até 510ºC, mas com custo de peso devido à densidade do Cr. Devido a essas características, as ligas de Ti estabilizado beta são normalmente utilizadas pela indústria aeroespacial como em peças de motores de aeronaves.

α/β – ligas de titânio

As ​​ligas de Ti alfa-beta são as mais utilizadas. Eles são peculiares na forma como o controle do tratamento térmico influencia na formação das fases alfa e beta. Sob tratamento térmico, o material solidifica como liga beta e, ao resfriar, parte dele gera algum alfa. Se for realizada a solução, têmpera e reaquecimento desta liga, é possível controlar a forma de formação da fase alfa. Em geral, as ligas de Ti alfa-beta têm 4-6% de elementos de liga estabilizadores beta. Eles podem ser tratados termicamente. Isso ocorre por um fortalecimento da solução, que causa a transformação alfa-beta, quenching, que resfria rapidamente o material para evitar a transformação beta-alfa. No final, o processo de envelhecimento geralmente transforma uma certa quantidade de fase beta metaestável em grãos finos de alfa-pase. As ligas de Ti alfa-beta apresentam uma resistência à tração muito alta, boa conformabilidade, boa resistência à corrosão e boa resistência à fluência em T entre 300 e 425 °C (570ºF – 800ºF). A principal aplicação desta liga são as indústrias aeroespaciais em peças como pás e discos de turbinas, tubulações hidráulicas, peças criogênicas, carcaças de motores de foguetes e também componentes marítimos. A liga de Ti alfa-beta é a Ti6Al4V, uma liga de Ti grau 5.

Microestrutura

A microestrutura das ligas alfa-beta é fundamental para a resistência à fadiga e outras propriedades mecânicas. O tratamento térmico pode alterar drasticamente essas características. Por exemplo, o Ti6Al4V pode ser resfriado lentamente ou recozido a 700 ºC (abaixo de beta-transus) para obter diferentes microestruturas. Para o primeiro caso, obtém-se uma estrutura de Widmasttaten que é em forma de agulha com orientação de 120° entre si. No caso recozido, a microestrutura tornou-se grãos alfa e beta. Abaixo tem alguns exemplos desse tipo de liga de Ti.
Ti6Al4V resfriado lentamente da fase beta.

Ligas α+β com elementos de transição:

Ti Mn 7 (σT = 900 MPa, ε = 10%)
Ti Mn 8 (σT = 1000 MPa, ε = 15%)
Ti Cr 3 Fe 1.5 (σT = 1000 MPa, ε = 12%)
Ti Cr 2 Fe 2 Mo 2 (σT = 1050 MPa, ε = 12%)
Ti Mn 3 Fe 1 Cr 1 Mo 1 V 1 (σT = 900 MPa, ε = 20%)

Ligas α+β contendo Al mais elementos de transição:

Ti Al 1.5 Mn 3 (σT = 1000 MPa, ε = 17%)
Ti Al 4, Mn 4 (σT =1040 MPa, ε = 15%)
Ti Al 5, Cr 3, Fe 1 (σT =1060 MPa, ε = 8%)
Ti Al 3, Cr 5 (σT =1080 MPa, ε = 15%)

Tratamento térmico

É possível formar martensita em ligas de Ti, sua estrutura HCP alpha prime. No entanto, a martensita de Ti não é fortificante como as de aço. Em vez disso, é uma rede altamente distorcida (c/a < 1) que aumenta o UTS em 70 Mpa. É difícil encontrá-lo em Ti temperado. Quanto maior a concentração do elemento permitido, menor a temperatura inicial da transformação da martensita (Ms).

Como consequência do resfriamento rápido, a Martensita a’ (HCP) pode ser frmed. Possui uma rede altamente distorcida, onde c/a < 1. As propriedades mecânicas são muito inferiores às do aço martensita: um TI temperado tem um UTS aumentado de apenas 70 MPa.

Existem três processos de tratamento térmico que geram resultados diferentes em ligas de Ti. O recozimento, a têmpera e o envelhecimento. O primeiro é o resfriamento lento, cuja força aumenta à medida que a fase beta diminui. Neste caso não há concentração de martensita. Os elementos de liga estão em grande quantidade. A têmpera é o resfriamento rápido da composição após o tratamento da solução. Isso pode resultar em diferentes características do material dependendo de quando a têmpera começou. Se for realizado após Ms, o resultado no aumento da força é muito suave. A têmpera realizada entre a temperatura de acabamento de transformação da martensita (Mf) e Ms apresenta apenas uma diminuição da resistência. A melhor têmpera é feita abaixo de Mf ou em RT. Neste caso obtém-se um aumento de resistência semelhante ao feito após Ms, na presença de formação de precipitados. O melhor processo é o envelhecimento. Quando é feito após a têmpera, neste caso após o resfriamento do beta, não há tempo para formar alfa nem para iniciar a transformação martensítica. Assim, obtém-se muito beta metaestável que é propenso a se transformar em grãos alfa finos. Portanto, ao envelhecer após a têmpera, é possível formar alfa dentro da matriz beta, o que resulta em melhor desempenho em termos de resistência, pois esses precipitados são muito pequenos. Nos casos em que a têmpera é realizada com conteúdo beta entre Mf e Ms, parte deste beta é transformada em alfa prime (martensita). Isso não pode ser revertido. Assim, após o envelhecimento, apenas parcialmente do resto da fase beta metaestável é transformada em fase alfa. Portanto, o processo de envelhecimento resulta em baixa resistência.

Resfriamento lento: o sigma aumenta à medida que o conteúdo b aumenta. O β é diferente dependendo se é tratado termicamente a partir de α+β ou β. A força máxima para Ti temperado ocorre quando Mf está em RT, enquanto o mínimo é no caso de Ms em RT (100% β metaestável). No entanto, se essas composições forem envelhecidas, formação controlada de alfa e decomposição de β, a força máxima pode ser alcançada.

O principal problema com o tratamento térmico de ligas de Ti é beta -> transformação ômega. Quando isso ocorre os planos onde as discordâncias se propagam se fundem passando dos planos ABCABC, típicos da estrutura BCC, para AB’AB’. O efeito da fase ômega é a fragilização do material. A fase ômega é favorecida quando se utilizam elementos de liga como Zr e Hf.

A sequência ABCABC típica de BCC (111). O ω é uma fase metaestável que se forma a partir de β em ligas à base de titânio, zircônio e háfnio. É importante porque sua formação geralmente leva a uma deterioração das propriedades mecânicas. Não é difuso e não pode ser suprimido por resfriamento rápido.

Ligas resistentes ao calor

O fogo de Ti é outro problema com ligas de Ti durante o processo de usinagem, pois os navios devem ser armazenados em óleo ou similar. O TiO2 tem uma alta entalpia de formação, assim quando estes começam a oxidar geram calor cada vez mais quentes. Em T alto a oxidação do kinect ocorre rapidamente e em algum ponto isso é alto o suficiente para que a reação ocorra quase instantaneamente. Daí o fenômeno do fogo Ti começa.

A liga alfa Ti é a melhor opção para aplicações de alta T. Estes variam de trocadores de calor, reatores químicos, aeroespaciais, biomédicos, carros de fórmula um (halo) e alguns outros componentes automotivos como molas. A principal aplicação do Ti na indústria automotiva é no sistema de escapamento de carros esportivos de alto desempenho. Os escapamentos de Ti são geralmente feitos de TiFeSiO e TiAlSiNb. Estes contêm elementos específicos para sistemas de exaustão, Al e Si. A razão é que tanto a alta T formam alumina quanto a sílica, que cria uma proteção térmica para essas ligas. São feitos por folha obtida por laminação a frio, o que significa que possui alguma anisotropia.

A oxidação de ligas de Ti em alta T é a principal preocupação. O revestimento dos componentes feitos a partir destes ajuda a evitar a oxidação e o desprendimento dessas peças no processo de desmontagem. A oxidação da peça anexada causa sua aderência. O revestimento pode ser feito por oxidação e cementação junto com TiO2 e carboneto de Ti. O revestimento por spray de plasma com óxidos de Zr também é uma opção, mas o revestimento fornecido pode ser destacado devido às diferentes propriedades (expansão térmica) do metal base e o revestimento de Zr não é tão bom quanto o revestimento de difusão.

Intermetálicos

O termo intermetálicos é aplicado a materiais que possuem características de cerâmicas e metálicas. Um intermetálico parece um metal, tem um aspecto de brilho. No entanto, não se deforma como um, mas se comporta mais como um material cerâmico. Nos metais a deformação ocorre por deslocamento e por deslizamento do contorno de grão. Um intermetálico é frágil se não for modificado adequadamente. Existem dois tipos de compostos intermetálicos, os estequiométricos e os não estequiométricos. A diferença entre eles é que os primeiros são modificados alterando os componentes A e B enquanto os não estequiométricos são modificados através do intervalo entre os elementos, sua composição.

Ni Aluminídeos

Os aluminídeos de Ni (AlNi) são interessantes porque possuem alto ponto de fusão (1640 oC) e baixa densidade (5,86 g/cm< sup>3). Existem alguns intermetálicos que são normalmente usados, AlNi, AlNi3 e Ni3Si.

AlNi3

O AlNi3 alumineto é mais denso que o NiAl, com 7,5 g/cm3 e tem um ponto de fusão mais baixo relativo a este, 1390 oC. O Ni3Al intermetálico pode ser melhorado adicionando uma certa quantidade de beta (50 – 100 ppm) em sua composição. Isso resulta em defeitos na estrutura, o que torna o material menos resistente. Outra característica do intermetálico Ni3Al é seu bom comportamento em altas T. Portanto, é um composto que apresenta alta resistência à tração entre 600 e 900 oC. Além disso, forma uma camada de alumina que protege o material de ambientes oxidantes.

NiAl (alumineto de níquel)

O NiAl tem uma proporção de um por um entre seus componentes. Este intermetálico possui o maior ponto de fusão e a menor densidade em relação aos demais. Suas propriedades mecânicas são próximas das superligas, mas com vantagem do NiAl leve. Além disso, possui boa resistência à oxidação, alta condutividade térmica. É semelhante ao metal e tem baixo custo de matéria-prima.

Ti aluminetos

O gama TiAl é um alumineto leve, por causa do alto Al% tem uma baixa densidade. A resistência à oxidação também é fornecida pelo composto de Al devido às suas características de oxidação. Além disso, não é reativo quando exposto ao hidrogênio, portanto, tem baixa propensão à fragilização por hidrogênio. Este aluminizado também é resistente à fluência em alta temperatura. A estrutura cúbica fornece planos para que o deslocamento ocorra. Existem dois tipos de aluminídeos de Ti, os monofásicos e os bifásicos. O primeiro é ligado com Ta, W e Nb e apresenta uma alta quantidade de Ti, 50 – 58% e 1 – 2% de Al. O objetivo é aumentar a ductilidade deste alumineto. O bifásico é caracterizado por uma fase gama + alpha2. Tem uma quantidade um pouco menor de Ti, 44 – 49% e uma quantidade semelhante de Al, 1 – 3%. No entanto, existem três grupos de compostos que podem ser ligados.

Em geral, Ti3Al e TiAl têm alto módulo de elasticidade, mais de 120 GPa, temperatura de oxidação acima de 700 o C e ductilidade em torno de 1 – 3% e 10 – 90% em alta T. Essas características qualificam esses materiais para serem utilizados em componentes como pás de turbinas. Os aluminídeos de Ti também podem ser usados ​​como compósitos de matriz. O SiC/Ti3Al+Nb tem adição de Nb, para reduzir a fragilidade, e folhas de SiC (40% vol.). O resultado é um componente com resistência específica extremamente maior, mesmo que as superligas. Assim, comparando as ligas de Ti, Ti3Al e aluminídeos de TiAl com superligas, pode-se observar que, embora estas sejam mais fortes que os aluminídeos, também são mais densas. Como os aluminídeos são mais leves e apresentam propriedades mecânicas próximas às das superligas, eles se tornaram uma opção melhor do ponto de vista de tensão específica.

NiAlTi

O componente NiAlTi, no qual o Ti é usado como revestimento, o Ni e o Al são misturados e inflamados por fogos de artifício. A temperatura desta reação é muito alta, cerca de 2000 K, e a consequência é a formação de Ni e Al. No estado líquido, o calor e a temperatura são tão altos que reagem com o Ti criando uma camada. Isso feito de NiAlTi. Em um teste de arranhão realizado sob carga controlada, 1 e 5 N, pode-se observar que quanto maior a marca de arranhão, a resistência contra ela é menor. No entanto, também pode-se notar que a camada de Ti possui uma marca de arranhão maior em relação às de NiAl. A razão é a maior tenacidade deste. A camada de TiNiAl não apresenta quase nenhuma marca de arranhão, devido à sua dureza que é maior que as outras duas camadas. Isso é chamado de camadas ternárias.

Desvantagens

A extrusão é difícil devido à concentração de Ti em locais específicos, principalmente na Rússia. Além disso, a reatividade do Ti ao O2 dificulta sua fabricação devido aos cuidados intensivos com o TiO2 e sua oxidação. Daí o preço é muito alto devido a isso e aos poucos fornecedores disponíveis.

O processo de fundição deve ser feito a vácuo para controlar sua alta reatividade ao oxigênio. Além disso, requer moldes específicos devido à sua reatividade com os materiais tradicionais dos moldes. Depois disso, o processo de usinagem também é difícil devido à alta dureza e baixa condutividade térmica das ligas de Ti, o que resulta em alto desgaste da ferramenta de usinagem e T.

Quando ligados com outros elementos, as ligas de Ti também são propensas a apresentar corrosão galvânica.

Referências

• Sachdev, A. K., Kulkarni, K., Fang, Z. Z., Yang, R., & Girshov, V. (2012). Titanium for Automotive Applications: Challenges and Opportunities in Materials and Processing. JOM, 64(5), 553–565. doi:10.1007/s11837-012-0310-8.
• Ashby, Michael F. Materials Selection in Mechanical Design. Third ed., Elsevier, 2005.
• Artigo originalmente escrito em inglês no blog Automotive Papers, parceiro do Carros Infoco.