Em 1948, a empresa americana DuPont iniciou a produção em massa de titânio esponjoso utilizando o processo de magnésio, sinalizando o início da produção industrializada de titânio.
As ligas de titânio, com sua alta resistência específica, excelente resistência à corrosão e superior resistência ao calor, são agora amplamente utilizadas em vários setores.
As ligas de titânio têm sido utilizadas na indústria da aviação há mais de meio século; no setor de eletrônicos de consumo, marcas como Huawei, Apple, Xiaomi e Honor incorporaram esse material em muitos de seus modelos de smartphones, e espera-se que um número crescente de fabricantes de eletrônicos adote ligas de titânio. Mas o que torna as ligas de titânio tão universalmente favorecidas?
Características do titânio
1. Alta resistência específica:
1,3 vezes maior que as ligas de alumínio, 1,6 vezes maior que as ligas de magnésio e 3,5 vezes maior que o do aço inoxidável, tornando-o o campeão entre os materiais metálicos.
2. Alta resistência térmica:
Ele pode operar a longo prazo em temperaturas centenas de graus mais altas que as ligas de alumínio, especificamente entre 450-500°C.
3. Excelente resistência à corrosão:
Resiste bem a ácidos, álcalis e corrosão atmosférica, e tem uma resistência particularmente forte à corrosão por pite e sob tensão.
4. Bom desempenho em baixas temperaturas:
Certas ligas de titânio, como a TA7 intersticialmente baixa, retêm alguma plasticidade mesmo a -253°C.
5. Alta reatividade química:
Em altas temperaturas, o titânio é altamente reativo e combina facilmente com gases como hidrogênio e oxigênio do ar, criando uma camada endurecida.
6. Baixa condutividade térmica e módulo de elasticidade:
Sua condutividade térmica é cerca de um quarto da do níquel, um quinto da do ferro e um décimo quarto da do alumínio. A condutividade térmica de várias ligas de titânio é cerca de 50% menor que a do titânio puro. O módulo de elasticidade das ligas de titânio é cerca de metade do módulo de elasticidade do aço.
Classificações e aplicações de ligas de titânio
As ligas de titânio podem ser categorizadas em: ligas resistentes ao calor, ligas de alta resistência, ligas resistentes à corrosão (como titânio-molibdênio, titânio-paládio), ligas de baixa temperatura e ligas para fins especiais (como titânio-ferro hidrogênio materiais de armazenamento, ligas com memória de forma de titânio-níquel).
Apesar da história relativamente curta da sua aplicação, as suas excelentes propriedades deram ao titânio e às suas ligas vários títulos de prestígio, o primeiro dos quais é “o metal do espaço”.
Seu peso leve, alta resistência específica e resistência a altas temperaturas o tornam particularmente adequado para a fabricação de aeronaves e diversas espaçonaves.
Aproximadamente três quartos da produção mundial de titânio e suas ligas são utilizados na indústria aeroespacial, com muitos componentes originalmente feitos de ligas de alumínio sendo agora substituídos por ligas de titânio.
Aplicações Aeroespaciais de Ligas de Titânio
As ligas de titânio são usadas principalmente na fabricação de componentes de aeronaves e motores, como pás de ventiladores de titânio forjadas, discos e pás de compressores, tampas de motores, sistemas de exaustão e estruturas estruturais como divisórias de longarinas de aeronaves.
As naves espaciais aproveitam a alta resistência específica, a resistência à corrosão e o desempenho em baixas temperaturas das ligas de titânio para fabricar vários vasos de pressão, tanques de combustível, fixadores, correias de instrumentos, estruturas e invólucros de foguetes.
Satélites artificiais, módulos lunares, naves espaciais tripuladas e ônibus espaciais também utilizam componentes soldados feitos de folhas de liga de titânio.
Em 1950, os Estados Unidos usaram pela primeira vez ligas de titânio no caça-bombardeiro F-84 para componentes não estruturais, como escudos térmicos para a fuselagem traseira, defletores de vento e tampas de cauda.
A partir da década de 1960, as aplicações de liga de titânio mudaram da parte traseira para a fuselagem intermediária, substituindo parcialmente o aço estrutural na fabricação de estruturas, vigas e trilhos de flap como componentes críticos de suporte de carga.
A partir da década de 1970, as aeronaves civis começaram a usar extensivamente ligas de titânio, com o jato Boeing 747 incorporando mais de 3.640 kg de titânio, representando 28% do peso da aeronave.
Com o avanço das técnicas de processamento, uma quantidade considerável de liga de titânio também tem sido utilizada em foguetes, satélites e ônibus espaciais. Quanto mais avançada a aeronave, maior será o uso de titânio.
O caça a jato americano F-14A usa ligas de titânio que representam cerca de 25% de seu peso; o F-15A tem 25,8%; os caças de quarta geração usam até 41% de titânio, com o motor F119 sozinho respondendo por 39% do uso de titânio, o maior de qualquer aeronave até hoje.
As ligas de titânio são amplamente utilizadas na aviação por um bom motivo.
Por que as aeronaves de transporte aéreo devem usar ligas de titânio? As aeronaves modernas podem atingir velocidades até 2,7 vezes a velocidade do som. Em velocidades supersônicas tão altas, o atrito com o ar gera uma quantidade significativa de calor.
Quando a velocidade de vôo excede o dobro da velocidade do som, as ligas de alumínio não conseguem mais suportar as condições, necessitando do uso de ligas de titânio resistentes a altas temperaturas.
Como a relação empuxo-peso dos motores de aviação aumentou de 4-6 para 8-10, e a temperatura de saída do compressor aumentou de 200-300°C para 500-600°C, os discos e pás do compressor de baixa pressão , anteriormente feitos de alumínio, tiveram que ser substituídos por ligas de titânio.
Avanços recentes no estudo das propriedades da liga de titânio levaram a um progresso significativo.
As ligas de titânio tradicionais compostas de titânio, alumínio e vanádio, que tinham uma temperatura máxima de trabalho de 550°C a 600°C, foram substituídas por ligas de alumineto de titânio (TiAl) recentemente desenvolvidas, com temperaturas máximas de trabalho atingindo até 1040°C.
Substituir o aço inoxidável por ligas de titânio para fabricar discos e lâminas de compressores de alta pressão pode reduzir o peso estrutural. Uma redução de 10% no peso da aeronave pode resultar em uma economia de combustível de 4%. Para foguetes, uma redução de 1kg no peso pode ampliar o alcance em 15km.
As aplicações 3C das ligas de titânio
Na indústria altamente competitiva de eletrônicos de consumo, representada por telefones celulares, os principais fabricantes estão interessados em usar ligas de titânio para aumentar a valorização dos produtos.
Marcas como Huawei, Apple, Xiaomi e Honor já incorporaram este material em diversos produtos. A Apple equipou seus relógios da série Ultra com caixas de titânio como padrão, e seu mais recente iPhone 15 inclui um modelo Pro com corpo de titânio totalmente novo, marcando o primeiro telefone da Apple a adotar titânio para aviação.
Em 2022, a Huawei utilizou liga de titânio nos componentes estruturais de seu telefone com tela dobrável, o MateXs2, e incorporou uma estrutura de titânio no Watch4Pro.
Em 12 de outubro, a Honor lançou seu novo smartphone dobrável, o Honor MagicVs2, apresentando materiais inovadores como a dobradiça de titânio Luban. Na nova linha da Xiaomi, o modelo mais caro é a versão 14 Pro titânio.
É relatado que a Samsung usará uma moldura de liga de titânio para seu próximo Galaxy S24 Ultra, semelhante ao esquema de cores de titânio original do iPhone 15 Pro.
No geral, a combinação de alta resistência específica e propriedades de leveza é uma das principais razões pelas quais as ligas de titânio são amplamente promovidas, permitindo que os produtos eletrônicos de consumo sejam mais portáteis e oferecendo uma experiência de usuário mais confortável.
Análise das características de usinagem de liga de titânio
Em primeiro lugar, as ligas de titânio têm baixa condutividade térmica, apenas um quarto da do aço, um décimo terceiro da do alumínio e um vigésimo quinto da do cobre. A lenta dissipação de calor na área de corte não conduz ao equilíbrio térmico.
Durante o processo de usinagem, a fraca dissipação de calor e os efeitos de resfriamento podem levar a altas temperaturas, deformação significativa e retorno elástico nas peças usinadas, resultando em aumento do torque da ferramenta de corte e rápido desgaste da ferramenta, o que reduz a durabilidade da ferramenta.
Em segundo lugar, a baixa condutividade térmica das ligas de titânio faz com que o calor de corte se acumule numa pequena área perto da ferramenta de corte, que é difícil de dissipar. Isso aumenta o atrito na face de saída, dificulta o escoamento de cavacos e acelera o desgaste da ferramenta.
Finalmente, a alta reatividade química das ligas de titânio significa que elas tendem a reagir com os materiais da ferramenta em altas temperaturas durante a usinagem, levando à soldagem e à difusão, o que pode causar aderência, queima e até mesmo quebra da ferramenta.
Centros de usinagem em processamento de liga de titânio
Os centros de usinagem podem processar múltiplas peças simultaneamente, aumentando a eficiência da produção. Melhoram a precisão da usinagem, garantindo boa consistência nos produtos.
Esses centros apresentam recursos de compensação de ferramenta que podem atingir a precisão inerente da própria máquina. Com ampla adaptabilidade e flexibilidade considerável, os centros de usinagem são capazes de operações multifuncionais.
Tarefas como usinagem de arco, chanframento e transições de arredondamento em peças são possíveis. Eles permitem operações de fresamento, furação, alargamento e rosqueamento.
Cálculos precisos de custos e controle do cronograma de produção também são facilitados. A eliminação da necessidade de acessórios especializados poupa custos substanciais e encurta o ciclo de produção, ao mesmo tempo que reduz significativamente a intensidade de trabalho dos trabalhadores. A usinagem multieixos com software como UG também é possível.
Seleção de ferramenta e material de refrigeração
- Requisitos de material de ferramenta
O material da ferramenta deve ter uma dureza significativamente superior à das ligas de titânio.
Deve possuir resistência e tenacidade suficientes para suportar os grandes torques e forças de corte experimentados durante a usinagem de ligas de titânio.
A alta resistência ao desgaste é crítica porque as ligas de titânio são tenazes e exigem arestas de corte afiadas para minimizar o endurecimento por trabalho. Este é o parâmetro mais importante na seleção de ferramentas para usinagem de ligas de titânio.
O material da ferramenta deve ter pouca afinidade com ligas de titânio para evitar formação de liga por dissolução e difusão, o que pode levar à aderência e queima da ferramenta. Testes em materiais de ferramentas nacionais e estrangeiros mostram que as ferramentas com alto teor de cobalto apresentam desempenho ideal.
O cobalto melhora o endurecimento secundário, melhora a dureza vermelha e a dureza após o tratamento térmico, ao mesmo tempo que oferece alta tenacidade, resistência ao desgaste e boa dissipação de calor.
- Parâmetros geométricos da fresa
As características únicas de usinagem das ligas de titânio significam que os parâmetros geométricos das ferramentas diferem significativamente daqueles das ferramentas padrão. Um ângulo de hélice β menor é escolhido para facilitar a remoção de cavacos e dissipar o calor mais rapidamente, o que também reduz a resistência ao corte durante a usinagem.
O ângulo de saída positivo γ garante uma aresta de corte afiada para um corte leve e rápido, evitando o calor excessivo de corte e o subsequente endurecimento por trabalho. Um ângulo de folga α menor retarda o desgaste da ferramenta e melhora a dissipação de calor e a durabilidade da ferramenta.
- Seleção de parâmetros de corte
A usinagem de ligas de titânio requer velocidades de corte mais baixas, taxas de avanço apropriadamente grandes, profundidades de corte razoáveis e tolerâncias de acabamento, com amplo resfriamento. A velocidade de corte vc=30–50m/min é ideal, com taxas de avanço maiores para usinagem de desbaste e taxas de avanço moderadas para acabamento e semiacabamento.
A profundidade de corte ap=1/3d é adequada; grandes profundidades podem causar aderência, queima ou quebra da ferramenta devido à boa afinidade e à difícil remoção de cavacos das ligas de titânio.
É necessária uma margem de acabamento adequada, uma vez que a camada de endurecimento superficial nas ligas de titânio é de cerca de 0,1–0,15 mm; uma tolerância muito pequena pode resultar em desgaste da ferramenta devido ao corte na camada endurecida, mas a tolerância não deve ser excessivamente grande para evitar esse problema.
- Refrigerante
É melhor evitar refrigerantes contendo cloro ao usinar ligas de titânio para evitar substâncias tóxicas e fragilização por hidrogênio, bem como para proteger contra trincas por corrosão sob tensão em alta temperatura.
Emulsões sintéticas solúveis em água são preferidas, ou uma mistura de refrigerante personalizada pode ser usada. Durante as operações de corte, certifique-se de que o líquido refrigerante seja amplo, com circulação rápida, alta vazão e pressão.
Os centros de usinagem vêm equipados com bicos de resfriamento dedicados que, quando devidamente ajustados, podem atingir o efeito desejado.
