Otimização do processo de usinagem de titânio com laser pulsado de neodímio por Ivan Alves de Almeida - Versão HTML

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MO Microscopia

ótica

MS

“Mean Square” - Razão entre médias

Nd:YAG

“Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet” – um bastão cristal

granada de Ítrio e Alumínio dopado com neodímio.

SS

“Sum of Square” - Soma dos quadrados

Ti – c.p.

Titânio comercialmente puro

Ti-6Al-4V

Liga de Titânio Alumínio Vanádio

ZTA ou HAZ

Zona termicamente afetada – Heat affected zone

LISTA DE SÍMBOLOS

(oC)

Unidade: graus Celsius, grandeza: temperatura.

(g.cm-3)

Unidade: gramas por centímetros cúbicos, grandeza: densidade de

massa.

(Pa)

Unidade: Pascal (N/m2), grandeza: pressão.

(GPa)

Prefixo do SI (gigapascal) 109

(MPa)

Prefixo do SI (megapascal) 106

(mm)

Prefixo do SI (milímetros) 10-3 metro, grandeza: comprimento.

(mm2)

Prefixo do SI milímetros elevado ao quadrado, grandeza: área.

(Pm)

Potência média real de saída do laser.

(E)

Energia contida em cada pulso laser.

W

Unidade: watt, grandeza: potência.

(f)

Taxa de repetição dos pulsos ou o número de pulsos laser por

segundo.

(Hz)

Unidade: hertz, grandeza: freqüência.

(N2) nitrogênio

(∅)

diâmetro

(ms)

Prefixo do SI milisegundo 10-3, grandeza: tempo.

(s)

Unidade: segundo, grandeza: tempo

(mm.min-1)

Unidade: milímetros por minuto, grandeza: velocidade.

(J)

Unidade: joule, grandeza: energia.

(Ar) Argônio

(He) Hélio

(μm)

Prefixo do SI micro 10-6, grandeza: comprimento

(TiN)

nitreto de titânio

(bar)

Unidade: Bar =(105 Pa), grandeza: pressão.

psi Unidade:

psi≈ (6,9 x 103 Pa), grandeza: pressão.

(HV) Dureza

Vickers

SUMÁRIO

RESUMO.....................................................................................................................6

ABSTRACT.................................................................................................................7

LISTA DE ILUSTRAÇÕES .........................................................................................8

LISTA DE TABELAS ................................................................................................11

LISTA DE SIGLAS....................................................................................................13

LISTA DE SÍMBOLOS..............................................................................................14

SUMÁRIO .................................................................................................................15

1. INTRODUÇÃO...................................................................................................16

2. PROPOSIÇÃO...................................................................................................21

3. REVISÃO DA LITERATURA .............................................................................22

3.1

Titânio e suas ligas............................................................................................................ 22

3.1.1 Histórico, sua ocorrência e produção. ................................................................................22

3.1.2 Microestrutura e a físico-química. ........................................................................................25

3.1.3 Classificação e Propriedades. ...............................................................................................30

3.1.4 Aplicações do Titânio e suas ligas. .....................................................................................34

3.1.5 Confecção de Implantes. ........................................................................................................38

3.1.6 Usinabilidade do Titânio. ........................................................................................................39

3.2

Laser.................................................................................................................................... 42

3.2.1 Histórico......................................................................................................................................42

3.2.2 Fundamentos do Laser ...........................................................................................................45

3.2.3 Evolução Industrial do Laser.................................................................................................49

3.2.4 Processamento de materiais a Laser ..................................................................................52

3.3

Projeto de experimentos - DOE ........................................................................................ 71

3.3.1 Projeto e Análise de Experimentos......................................................................................71

3.3.2 Projeto Fatorial..........................................................................................................................74

3.3.3 Projeto Fatorial Fracionado ...................................................................................................77

4. MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................82

4.1

Materiais.............................................................................................................................. 82

4.1.1.

Metais......................................................................................................................................82

4.1.2.

Gases ......................................................................................................................................83

4.2.

Métodos .............................................................................................................................. 84

4.2.1.

Geração das amostras........................................................................................................84

5. RESULTADOS E DISCUSSÃO.......................................................................106

6. CONCLUSÕES................................................................................................155

7. REFERÊNCIAS ...............................................................................................159

16

_______________________________________________________________Introdução

1. INTRODUÇÃO

O cenário mundial sofreu significativas transformações nas últimas duas

décadas, atingindo os mais diversos setores da sociedade. Estas mudanças

proporcionaram uma aceleração nos processos econômicos e na evolução

tecnológica.

Esta realidade impõe um novo conceito nos níveis de exigência e exerce

pressão no aumento dos padrões de qualidade. Desta forma, a competitividade

torna-se maior e mais acirrada.

Como conseqüência, os setores científico e industrial inseridos neste mercado competitivo, o qual é influenciado pelos efeitos da globalização e da preocupação com o desenvolvimento sustentável, devem se adequar através da inclusão de

novas tendências e tecnologias. Em resposta a esta tendência, o pensamento

empreendedor é essencial para ambos os setores. Isso implica em estimular o

desenvolvimento ampliando as bases tecnológicas, coordenar o gerenciamento de recursos escassos, fixar alvos e objetivos factíveis, assim como procurar inovar.

Dentro desse contexto mercadológico está imerso o universo em que os

profissionais, pluralistas em conhecimentos e habilidades, procuram selecionar o tipo de material, o processamento mais apropriado, suas vantagens/desvantagens e as diferentes implicações no resultado final do produto para satisfazer os requisitos do mercado atual.

A Figura 1 mostra esquematicamente as relações interativas entre projeto,

processamento e materiais, que somados delimitam o caminho, composto por uma

série de etapas e informações de diversas naturezas, determinante do produto final.

index-17_1.jpg

17

_______________________________________________________________Introdução

Figura 1 – Fluxograma das interações entre projeto, seleção de materiais e processamento em função do desenvolvimento de um projeto.

Em diversos segmentos do setor industrial, o processamento de materiais a

laser1 tornou-se uma alternativa interessante e competitiva em relação aos métodos convencionais de manufatura. Atualmente, sua aplicação é diversificada2,

principalmente devido aos seus benefícios e a sua versatilidade, abarcando

mercados como o da indústria automotiva, aeroespacial e médica. Esta tecnologia exerce grande interesse, pois consegue agregar inúmeras vantagens. As mais

importantes são: processo sem contato e sem desgaste de ferramenta, possibilidade de uso de atmosfera controlada, alta densidade e controle de energia, flexibilidade no caminho do feixe, simplicidade de fixação, facilidade no processo de automação, pequena zona termicamente afetada, alta velocidade de processo, excelente

qualidade da borda, baixa emissão de poluição, entre outras3.

Entretanto, existe uma lacuna de desconhecimento entre as investigações

teóricas e experimentais que determine a real influência dos parâmetros no

processamento a laser. Este fato, devido à complexidade do processo, é mais

evidente no sistema de laser pulsado4,5.

18

_______________________________________________________________Introdução

Inicialmente, a aplicação de um feixe de luz para o processamento de materiais envolve um mecanismo em que se faz necessário à adequação do tipo de laser ao material selecionado, bem como da geometria do objeto a ser usinado. O tipo de laser é determinado pelo comprimento de onda de sua emissão e pelo regime de

operação, contínuo, pulsado, chaveado, etc.

A partir desta seleção, também é imprescindível escolher e ajustar os vários

parâmetros relativos ao processamento a laser que exercem influência na qualidade do resultado final, no custo e na velocidade de processo, entre outros6,7.

Concomitantemente, outro fator importante correlacionado ao desenvolvimento

de um produto é a utilização de novos materiais para sua confecção, visando à redução dos custos e a melhoria no padrão de qualidade dos mesmos. Nota-se,

nesta corrida tecnológica, o uso cada vez mais freqüente de materiais plásticos e das fibras, os quais se encontram amplamente disseminados em diversos setores.

Essa concorrência, como conseqüência, promoveu uma reação no ramo siderúrgico em busca de avanços na pesquisa de novos materiais metálicos. Neste panorama, uma readaptação da produção do titânio e suas ligas, entre outros metais, se torna cada vez mais importante.

Atualmente, este metal tem se tornado objeto de intensa pesquisa e de

extrema utilidade em inúmeras aplicações da indústria e da medicina. Contudo, em virtude do alto custo8 de produção, sua utilização ainda é limitada.

Após a década de 50, o titânio despertou grande interesse em diversas

aplicações da engenharia, principalmente devido às suas características

metalúrgicas e mecânicas, tais como: densidade razoavelmente baixa (4,5 g.cm-3), médio módulo de elasticidade (105 GPa) e valores do limite de resistência à tração de 1350 MPa9,10.

19

_______________________________________________________________Introdução

O titânio também apresenta elevada resistência à corrosão em temperatura

ambiente e excelente biocompatibilidade11. Além disso, sua dureza e a relação resistência mecânica pelo peso são outras propriedades muito úteis e atraentes para diversas aplicações.

Estas características favoráveis deste metal, contudo, também podem gerar

entraves aos métodos convencionais de produção, como alto desgaste de

ferramentas, tempo de usinagem e custos operacionais mais elevados.

Neste contexto, o desenvolvimento da usinagem a laser do titânio e suas

ligas12 surge como processo alternativo para a confecção de inúmeros

componentes, especialmente para as áreas aeroespacial e biomédica. Neste caso, as dificuldades relacionadas aos processos convencionais, como alta dureza e

resistência ao desgaste desaparecem completamente devido à natureza da

interação da luz com a matéria.

Como a usinagem visa a excelência de qualidade, o processamento a laser

para um determinado material deve obedecer a uma combinação precisa dos

inúmeros parâmetros envolvidos13. Estes parâmetros são: densidade de potência; modo transversal do feixe laser; polarização da luz; velocidade do processo;

características físicas e metalúrgicas do material; geometria e diâmetro do bocal; distância bocal/peça; comprimento focal da lente utilizada; tipo, pressão, fluxo e pureza do gás de assistência; energia e duração temporal do pulso laser;

comprimento de onda; distribuição energética no ponto focal, entre outros14.

Os parâmetros descritos acima são inúmeros, desse modo, procurou-se neste

trabalho desenvolver um estudo que permita evidenciar quais são os mais influentes no processo de corte e suas possíveis interações. A metodologia de análise

20

_______________________________________________________________Introdução

emprega o Projeto de Experimentos (“Design of Experiments”) – DOE em busca da otimização15 destes parâmetros.

Uma tendência dos projetos tecnológicos é a inclusão de conhecimentos

multidisciplinares, aplicados em conjunto com a modelagem matemática, simulações numéricas e realização de experimentos. A aplicação de um modelo estatístico

permite estimar uma escala com os valores dos parâmetros mais influentes do

sistema. Por meio da aplicação das teorias de Planejamento Experimental (DOE) é possível determinar uma região com melhores resultados e desta maneira, reduzir a amplitude do campo inicial, assim como obter uma otimização do processo e

consequentemente uma redução de custos.

Esta abordagem consiste em um método de experimentação, em que são

feitas alterações propositais nas variáveis de entrada de um processo (fatores), de tal modo a observar os efeitos correspondentes nas variáveis de saídas

(respostas)16.

De acordo com Montgomery17, o método de variar somente um fator, enquanto

os outros são mantidos fixos, não é adequado, principalmente se existir a

possibilidade de interações destas influências. Neste caso, o uso de modelos

experimentais fatoriais é o mais indicado, pois este promove uma investigação de todas as combinações dos diferentes fatores.

Baseado nestes fatos, o escopo do presente trabalho foi determinar os efeitos da usinagem aplicados no processamento de placas metálicas de titânio e suas

ligas, sob ação de um laser pulsado de Nd:YAG. O trabalho também procurou

proporcionar uma otimização dos parâmetros relativos ao processo pela análise estatística de um arranjo fatorial direcionado para melhoria da qualidade de

acabamento superficial do corte.

21

_______________________________________________________________Proposição

2. PROPOSIÇÃO

Determinar os efeitos da usinagem de corte a laser pulsado sobre a qualidade

de acabamento e a formação de fases na superfície são tarefas evidentemente

complexas, em virtude dos inúmeros fenômenos envolvidos no processo.

A qualidade do processamento a laser de um determinado material está

relacionada a uma série de parâmetros que atuam individualmente e também

interagem entre si.

O objetivo é buscar parâmetros para uma usinagem otimizada de chapas de

titânio. Os critérios para estabelecer essas condições de corte estarão relacionados com a qualidade superficial de acabamento, tais como, menor quantidade de

rebarbas e menor rugosidade. As características metalúrgicas da camada

ressolidificada, também serão fatores a se considerar na otimização do processo.

Isso será realizado pela verificação da influência dos seguintes parâmetros: energia de pulso, largura temporal, pressão do gás, velocidade de corte, comprimento focal da lente, posição do foco.

Será utilizado também o método estatístico, projeto de experimentos, na

análise da interação entre as diversas variáveis do processo para classificar o nível de importância de cada uma, configurar uma faixa de operação e demonstrar suas inter-relações. Além de estender a metodologia estudada neste trabalho, em

laboratório, para um equipamento com características de produção industrial.

Todos os objetivos mencionados têm caráter inédito e a sua junção propicia

uma ferramenta científica-tecnológica, útil e importante, para o setor produtivo.

index-22_1.png

22

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

3. REVISÃO DA LITERATURA

3.1 Titânio e suas ligas

3.1.1 Histórico,

sua

ocorrência e produção.

O elemento metálico atualmente conhecido como titânio foi descoberto na

Inglaterra em 1791, pelo Reverendo William Gregor. Este estudioso em minerais identificou a presença de um novo elemento no mineral “menachanite” (areia

magnética). Vários anos depois, o mesmo elemento foi redescoberto no rutilo, pelo químico alemão M. H. Klaproth18,19 e por este nomeado de titans, do latim: o primeiro filho da Terra. A ocorrência natural do titânio é verificada, particularmente, em minerais sob a forma de: Anatásio/Rutilo (TiO2), Ilmenita (FeTiO3), Perovskita (CaTiO3) e Titanita CaTi(OSiO4), conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 2 – Titânio: fonte e características.

23

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

O metal na forma pura só foi produzido em 1910 por Matthew A. Hunter, o qual

aqueceu TiCl4 com sódio a temperatura de 700-800°C em ambiente com gás

argônio.

Um composto muito importante inserido na história deste metal é o dióxido de

titânio (TiO2) encontrado no mineral rutilo. Durante a primeira Guerra Mundial foi utilizado como técnica de camuflagem e ficou conhecido como cortina de fumaça. O

TiO2 é obtido pela reação do tetracloreto de titânio (TiCl4) com água e desta reação forma-se uma enorme quantidade de fumaça branca20.

Segundo Everhart21 1954, o titânio é o quarto elemento mais abundante da

crosta terrestre. Contudo, esta abundância não significa que sua exploração seja economicamente viável. Os minerais devem estar concentrados em grandes

depósitos para assim proporcionar uma extração rentável. Além disso, a

complexidade do processo de produção deste metal ainda é relativamente elevada.

Atualmente, os processos de produção mais utilizados são:

a) no processo Kroll (pirometalúrgico), o (TiCl4) é obtido pela ação do cloro e carbono sobre a ilmenita e depois reduzido pelo uso de magnésio metálico. Este método foi desenvolvido a partir de 1946 pelo metalurgista William J. Kroll e ainda hoje é um dos processos mais utilizados.

2TiFeO3 + 7Cl2 + 6C → 2TiCl4 + 2FeCl3 + 6Co

TiCl4 + 2Mg → 2MgCl2 + Ti

b) no processo Hunter emprega-se o sódio metálico como redutor. Porém, mais

oneroso que o processo Kroll.

24

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

c) no processo Dow-Howmet ocorre uma redução eletrolítica, a qual gera um

produto conhecido por titânio esponja ou metal esponja que sofre várias operações de fusão para ser convertido em titânio metálico.

Mundialmente, existem várias pesquisas sendo desenvolvidas para gerar um

novo modo de explorar e produzir o titânio na tentativa de baratear substancialmente um dos mais nobres metais da indústria. As mais importantes e recentes são:

• Na Rússia, engenheiros do Instituto de Metalurgia de Baikov –

desenvolveram uma forma de extrair o titânio do rutilo separando-o do

quartzo presente na areia22;

• Na Austrália, empresa CSIRO e Light Metals Flagship – desenvolvem

esforços para a redução de custos de produção do metal extraído da

areia23;

• Nos Estados Unidos, as empresas Altair Nanotechnologies e Titanium

Metals Corporation, uma das maiores fornecedoras mundiais de titânio,

uniram-se para utilizar um novo processo criado pelos professores

George Zheng Chen, Derek Fray e Tom W. Farthing da Universidade

de Cambridge. O processo, chamado "Fray-Farthing-Chen (FFC)

Cambridge Process" é utilizado para extrair metais e ligas de seus

óxidos sólidos por meio da eletrólise em sais fundidos. Ao contrário do

método pirometalúrgico, o FFC que é um método eletrolítico permite

uma extração muito mais econômica. Esta nova técnica24 pode ser

resumida pela reação:

TiO2 (sólido, catodo) → eletrólise de solução salina → Ti (catodo) + O2 (anodo)

25

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

Segundo Gerdemann25 2001, a indústria acreditava que após a segunda guerra

mundial o titânio se tornaria popular como o alumínio. Entretanto, este fato nunca ocorreu, pois a sua extração continua muito onerosa. A energia necessária para a produção de uma tonelada deste metal chega a ser em torno de 16 vezes maior do que é preciso para se obter a mesma quantidade de aço. Nenhum, dos novos

processos pesquisados resultou na redução dos custos, o que impediu o

crescimento do titânio no mercado.

Produção do titânio no mercado mundial.

O alto valor pela produção deste metal, cerca de US$ 12.000,00 por tonelada,

ainda é um fator limitante do seu potencial de utilização, restringindo-se a 50.000

toneladas por ano.

3.1.2 Microestrutura

e a físico-química.

O grande valor deste material entre os metais não ferrosos está associado às

suas propriedades. Suas características físico-químicas permitem-lhe formar uma grande variedade de ligas com diferentes tipos de metais.

Pouco reativo em temperatura ambiente, o titânio aquecido sofre a ação dos

não-metais, dando compostos estáveis, duros e refratários, como o nitreto (TiN), o carbeto (TiC) e os boretos (TiB e TiB2). O titânio dissolve-se no ácido fluorídrico, com o qual forma complexos de flúor.

O estado de oxidação mais estável do titânio é +4, embora existam compostos

no qual sua valência é +2 ou +3. É um elemento de transição com o último nível eletrônico incompleto (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2) o que lhe proporciona uma grande afinidade pelos elementos hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, todos

formadores de soluções sólidas intersticiais26, 27, 28.

index-26_1.jpg

26

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

Os compostos formados com cada um desses elementos proporcionam

alterações nas suas propriedades e dessa forma modificam a dureza e a resistência mecânica do metal puro e suas ligas.

Devido ao fato do seu diâmetro atômico ser muito pequeno, conforme visto na

Figura 3, o hidrogênio apresenta elevada difusibilidade e deste modo é facilmente absorvido pelas estruturas cristalinas, inclusive em temperaturas baixas. O

resfriamento lento de 400 ºC até a temperatura ambiente favorece a precipitação sob a forma de hidretos de titânio que reduzem relevantemente a tenacidade e a

ductibilidade. A sua interação com o titânio29 gera uma simples transformação eutetóide de fase alfa + hidreto, formado diretamente da fase beta. Um forte efeito estabilizador sobre campo da fase beta resulta no decréscimo da temperatura de transformação da fase alfa para beta de 882°C para temperatura eutetóide de

300ºC.

Figura 3 – Diferença dos raios atômicos dos elementos intersticiais para a rede cristalina do titânio30.

27

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

A presença de nitrogênio e oxigênio também provoca redução na tenacidade

alterando as propriedades mecânicas do material. Neste caso, observa-se a

formação de estruturas aciculares, conhecidas como estruturas de Widmanstätten.

Essa estrutura é caracterizada por um padrão geométrico resultante de uma nova fase formada em certo plano cristalográfico, relativa à estrutura do sólido. A adição desses elementos promovem a estabilização da fase Ti-α e a formação de um

peritético L+α-> β.

Outro elemento que igualmente reduz a ductibilidade e tenacidade é o carbono.

Entretanto, em teores até 0,3% pode formar carbetos que resultam no aumento da resistência mecânica.

Assim como pequenas adições desses elementos supra citados influenciam

nas propriedades do titânio, a adição de determinados elementos de liga, acima de certos teores, geram mudanças significativas nos campos de estabilidade das fases e nas temperaturas de transformação. Portanto, é muito importante a adequação dos teores máximos destes elementos às exigências das normas técnicas. Verifica-se na Tabela 1 alguns destes exemplos31.

Tabela 1 – Elementos estabilizadores do Titânio.

Estabilizadores

fase Ti-α

fase Ti-β

Intersticiais

Carbono, Nitrogênio, Oxigênio

Hidrogênio

(ocupam os interstícios,

vãos da matriz).

Adições de Al, Nd, B

Adições de V, Nb, Zr, Ta e Hf

(estabilizam a fase Ti-α através

(promovem a decomposição desta

Substitucionais

fase por uma reação isomorfa).

(substituem os átomos

de uma reação do tipo peritetóide Adições de Fe, Mn, Pd, e Si

do Ti na rede cristalina).

β + γ −> α).

(promovem a sua decomposição

por reação do tipo eutetóide).

index-28_1.png

28

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

A estrutura cristalina pode ser definida como a distribuição espacial ordenada de um padrão constituído por um ou mais átomos. A característica físico-química do material é determinada pela estrutura do arranjo atômico ou molecular32.

O titânio puro é um material alotrópico (ou polimórfico), pois sua estrutura

cristalina sofre alterações conforme a variação térmica. Na condição da temperatura ambiente apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta (HCP) e é denominada de fase alfa (α). Entretanto, acima de 883oC (temperatura transus) sua estrutura modifica-se para cúbica de corpo centrado (CCC). Nesta situação, visualizada na Figura 4, a estrutura é conhecida por fase beta (β) e se mantém estável até atingir a temperatura de fusão (1672 oC). A fase γ é do tipo intermetálica, cuja estrutura cristalina e estequiometria dependem do elemento de liga adicionado33.

Figura 4 - Esquema representativo da transformação do titânio34.

A classificação metalúrgica do titânio35, segundo o sistema da ASTM (American Society of Testing and Materials) é determinada sob a seguinte forma: titânio comercialmente puro (Ti c.p.)36 de diferentes graus (também denominado como

“não-ligados”) e as ligas: alfa (α), alfa-beta (α + β) e beta (β), as quais definem a predominância das fases presentes na microestrutura.

index-29_1.jpg

29

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

O Ti c.p. apresenta teores entre 98 a 99,5% de pureza e conforme a norma

ASTM F67 é classificado em quatro categorias, variando de acordo com os teores de nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, carbono e ferro. Seus valores podem ser

observados pelos dados da Tabela 2.

Tabela 2 – Teores da composição do Ti c.p pela norma ASTM F67.

Existe ainda uma outra classificação mais abrangente, na qual a divisão está

associada às curvas de transformação martensítica inicial e final (Mi/Mf). Deste modo, conforme demonstrado na Figura 5, as cinco classes estão divididas em: ligas (α), ligas pseudo-α, ligas (α + β), ligas pseudo-β e ligas β37,38.

As cinéticas de transformação destas fases, durante o resfriamento, estão

diretamente relacionadas às propriedades metalúrgicas e mecânicas do material.

Fases metaestáveis podem ocorrer conforme essas condições de transformação.

O aumento da resistência mecânica como a alteração da microestrututra, no

caso do Ti c.p., são obtidos somente por uma série de encruamento e recozimento.

Nesta variação estrutural, observa-se a formação de fase alfa com contornos

irregulares a partir de um rápido resfriamento da fase beta39.

index-30_1.png

index-30_2.jpg

30

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

Figura 5 – (a) Classificação e composição das ligas de titânio distribuídas em relação pseudobinário diagrama de fase isomorfo. (b) Diagrama de fase isomorfo pseudobinário relacionando a curva martensitica (Mi/MF) com os campos de fase α + β.

Como ilustração dos materiais abordados, a Figura 6 mostra fotomicrografias

das superfíces do Ti puro (a) e também da liga Ti-6Al-4V(b).

Figura 6 – Fotomicrografias das superfíces do Ti puro (a) e da liga Ti6Al4V (b).

Aumento de 200x 40.

3.1.3

Classificação e Propriedades.

Conforme citado anteriormente, existem duas abordagens diferentes para

classificação deste material. A primeira é relativa às fases presentes na

microestrutura e a segunda considera a curva de transformação martensítica

31

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

(Mi/Ms). Ambas considerações foram sintetizadas e estão descritas a seguir em função da fase predominante na microestrutura e suas propriedades.

Liga alfa (α)

A microestrutura e as propriedades das ligas monofásicas alfa (α) e do Ti c.p.

não podem ser alteradas pelo tratamento térmico. Essas modificações, como

aumento de dureza e resistência mecânica, somente são atingidas pelo processo de deformação plástica e ou mecânica (mecanismo de encruamento e recozimento).

Outro mecanismo que pode ser aplicado nestas ligas é o endurecimento por solução sólida. Neste caso, elementos de liga (soluto) são adicionados no solvente (titânio), visando à formação de soluções sólidas substitucionais ou intersticiais. O efeito dessa interação gera uma restrição no movimento das discordâncias e

consequentemente a liga é endurecida41,42.

O alumínio é o elemento estabilizador mais importante e a sua inclusão

favorece o aumento da temperatura de transformação alfa-beta. Contudo, seu teor deve ser mantido abaixo de 7% para evitar a fragilização em baixa temperatura, devido à formação da fase Ti3Al (aluminetos de titânio). Devido ao resfriamento rápido, a transformação martensítica é uma característica dessas ligas.

As propriedades da liga alfa são: resistência à deformação (superior das ligas beta), razoável ductibilidade, boa tenacidade, média resistência mecânica, alta resistência à corrosão e excelente propriedades mecânicas em temperaturas

criogênicas.

32

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

Liga beta (β)

A liga (β) pode ser obtida com a adição de elementos estabilizadores desta

fase. As propriedades desta liga são inerentes à fase beta retida após resfriamento ao ar, o que as caracterizam por apresentar boa combinação de resistência

mecânica, alta forjabilidade, média conformabilidade e baixo módulo de

elasticidade38. Entretanto, em virtude dos altos teores de elemento de liga utilizados para sua produção, fator este que eleva muito o custo, sua aplicação é bastante limitada43,44.

Apesar do alto custo, estudos mais recentes sobre biocompatibilidade indicam

o uso das ligas Ti-13Nb-13Zr (TNZ) e Ti-35Nb-7Zr-5Ta(TNZT) em substituição das ligas Ti-6Al-4V (alfa+beta), especialmente para aplicações biológicas45,46.

A porcentagem dos estabilizadores da fase beta (betagênicos) configuram a

classificação de metaestável ou estável para as ligas de titânio deste tipo, conforme pode ser observado na Figura 5. Enquanto metaestável são inadequadas ao

trabalho em temperaturas baixas, pois podem precipitar, transformando-se

parcialmente em fases binárias (alfa+beta) e tornarem-se propensas à fratura28. O

tratamento de solubilização e envelhecimento (estabilização), nestas ligas, permite atingir melhores valores de resistência mecânica com adequada ductilidade.

Liga alfa+beta (α+β)

Uma parcela de aproximadamente 70% da produção mundial das ligas de

titânio está dirigida a confecção das ligas (α+β), graças as suas propriedades. Entre estas ligas, a mais importante é a liga Ti-6Al-4V que abarca um vasto campo de aplicações, especialmente nos setores aeroespaciais e médicos.

index-33_1.png

33

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

Estes tipos de liga são caracterizados pela presença de ambos estabilizadores (α e β) que propiciam uma grande variação de microestruturas bifásicas. O

resfriamento rápido pode induzir a formação de estruturas martensíticas (α’ e α’’), ou a retenção da fase β na forma metaestável, o que altera as propriedades da liga.

A aplicação do correto tratamento (solubilização, envelhecimento e outros) e

diferentes faixas de temperatura permitem obter diversos níveis de resistência mecânica. Suas principais propriedades são: excelente relação resistência/peso, razoável soldabilidade, boa conformabilidade e resistência à corrosão28,33.

O quadro representado na Figura 7 resume as principais características

delineadas no texto referente à classificação das ligas de titânio e na Figura 8

verifica-se um diagrama geral com a classificação dos diagramas binários de fase, os tipos e as diferentes porcentagens de estabilizadores das ligas de titânio.

Figura 7 – Síntese da classificação das ligas de titânio e suas características.

index-34_1.png

34

_______________________________________________Revisão da Literatura - Titânio

Figura 8 –Tipos dos diagramas binários de fase das ligas de titânio.

a) Elemento X é estabilizador da fase Ti-β (transformação isomorfa:Ti-β->Ti-α); b) Elemento X é estabilizador da fase Ti-β (transformação eutetóide: Ti-β->Ti-α+Ti−γ); c) Elemento X é estabilizador da fase Ti-α (transformação isomórfa: Ti-β->Ti-α); d) Elemento X é estabilizador da fase Ti-α (transformação peritetóide: Ti-β+Ti−γ->Ti-α)47.

3.1.4

Aplicações do Titânio e suas ligas.

A seleção do material apropriado para uma determinada aplicação envolve

uma avaliação complexa que correlacione os aspectos econômicos, tecnológicos, as propriedades e o desempenho desejado. Portanto, o custo inicial do material pode ser compensado pelas vantagens pertinentes ao mesmo, dependendo da sua

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finalidade. Uma lista com os preços do mercado de metais está descrita na Tabela 3

para situar a diferença entre os valores do titânio com o aço e o alumínio

Tabela 3 – Comparação do preço entre materiais48.

Material (U$/kg)

Aço Alumínio

Titânio

minério 0,04

0,22

0,48

(rutilo)

metal 0,22

0,22

12,00

lingote 0,33

2,53

20,00

chapa

0,66 - 1,3

2,2 - 11,00

33,00 - 110,00

As propriedades mecânicas e físico-químicas do titânio e suas ligas são

considerações importantes que permitem justificar a substituição de outros materiais menos onerosos por este metal. Em razão de suas propriedades, o uso deste metal pode ser dividido em três categorias49: a) excelente relação resistência

mecânica/peso; b)alta resistência à corrosão; c) biocompatibilidade.

O emprego do titânio e suas ligas estão disseminados entre as mais diferentes aplicações de vários setores do mercado mundial. Na Tabela 4 observam-se os

valores consumidos de titânio, nas diversas formas disponíveis, em relação à área de utilização.

Tabela 4 - Distribuição do consumo anual de titânio pelo mercado de aplicação50.

Mercado de Aplicação

Consumo (t)

Indústria Química

20000 - 25000

e ligada à geração de Energia

Aeroespacial Civil

14000 - 19000

Aeroespacial Militar

3000 - 4000

Esporte e Lazer

3000

Construção civil e Arquitetura

500

Médica e Odontológica

800

Outras 1000

TOTAL

42300 - 53300

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Na relação resistência mecânica/peso as ligas de titânio podem ser

empregadas em componentes das turbinas, partes estruturais das aeronaves e dos veículos blindados de combate (tanques de guerra), em que a faixa de temperatura permanece acima de 150°C e abaixo de 500°C.

A característica de resistência à corrosão favorece o uso das ligas para

fabricação de componentes navais, dutos e trocadores de calor para indústria

química, risers 51 (equipamento que permite a circulação dos fluidos nos serviços de sondagem) nas plataformas de exploração petrolífera, entre outros.

Além da resistência à corrosão, a biocompatipilidade é outra propriedade do

titânio e suas ligas que possibilita a aplicação deste material na manufatura de implantes cirúrgicos, especialmente ortopédicos e ortodônticos.

Com finalidade didática procurou-se representar na Figura 9 um panorama das

aplicações do titânio nas diferentes áreas do mercado global.