Titânio e suas ligas: tudo o que você precisa saber

1. Fonte de Titânio

O titânio foi descoberto pela primeira vez em 1791 por um mineralogista amador chamado Gregor, do Reino Unido. Em 1795, um químico alemão chamado Klaproth deu a esta substância metálica desconhecida o nome dos deuses gregos, os Titãs, que se traduz como “Titânio” em inglês.

O titânio é abundante na Terra, com mais de 140 tipos conhecidos de minerais de titânio. No entanto, as principais aplicações industriais são de ilmenita e rutilo. A China detém 28% das reservas mundiais de ilmenita, ocupando o primeiro lugar globalmente.

O titânio, um elemento não tóxico universalmente reconhecido, é caro devido aos seus elevados custos de mineração e produção. Com sua capacidade de suportar altas e baixas temperaturas, resistir a ácidos e bases fortes, sua alta resistência e baixa densidade, tornou-se um material especializado para foguetes e satélites da NASA.

Também é usado em superprojetos do nosso país, como o Jade Rabbit, o J-20 e o porta-aviões Shandong. Depois de entrar no mercado consumidor na década de 1980, as suas propriedades naturais antibacterianas e biocompatíveis tornaram-no o “Rei de Honra” na indústria de utensílios de mesa.

A indústria de titânio da China começou na década de 1950. Em meados da década de 1960, a China estabeleceu fábricas de titânio esponja e de processamento de titânio em Zunyi e Baoji, respectivamente, marcando a China como uma das potências globais na indústria de titânio.

No século 21, a indústria de titânio da China entrou num novo período de desenvolvimento acelerado, com a sua capacidade de produção de titânio liderando o mundo.

2. Diferença entre titânio puro e ligas de titânio

Titânio Puro

Também conhecido como titânio puro industrial ou titânio puro comercial, é classificado de acordo com o conteúdo de elementos de impureza. Possui excelente processabilidade de estampagem e soldabilidade, é insensível ao tratamento térmico e tipos organizacionais e possui certa resistência sob condições satisfatórias de plasticidade. Sua força depende principalmente do conteúdo dos elementos de lacuna, oxigênio e nitrogênio.

As propriedades do titânio puro industrial 99,5% são: densidade P=4,5g/cm³ponto de fusão é 1800°C, condutividade térmica λ=15,24W/(MK), resistência à tração σ b=539MPa, alongamento: δ =25%, taxa de encolhimento transversal ψ=25%, módulo de elasticidade E=1,078×105MPa , dureza HB195.

Liga de titânio

A liga de titânio é uma liga composta de titânio como base e outros elementos. É um metal relativamente jovem, com uma história de apenas sessenta a setenta anos desde a descoberta até agora. Os materiais de liga de titânio têm características como peso leve, alta resistência, pequena elasticidade, resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão.

Eles são usados ​​​​principalmente em peças de motores aeronáuticos, foguetes, mísseis, etc. O titânio possui dois tipos de cristais birrefringentes homomórficos. O titânio é um isomorfo homomórfico, com ponto de fusão de 1720°C. Abaixo de 882°C, apresenta uma estrutura cristalina hexagonal densa, chamada α titânio; acima de 882°C, apresenta uma estrutura reticulada cúbica de corpo centrado, chamada β titânio.

Usando as diferentes características das duas estruturas de titânio acima, adicionando elementos de liga apropriados e alterando gradualmente a temperatura de transição de fase e o conteúdo de fase, são obtidas diferentes organizações de ligas de titânio (ligas de titânio).

Os elementos de liga de titânio podem ser divididos em três categorias de acordo com o seu impacto na temperatura de transição de fase:

① Fase α estável, os elementos que aumentam a temperatura de transição de fase são elementos estabilizadores α, como alumínio, magnésio, oxigênio e nitrogênio. Entre eles, o alumínio é o principal elemento de liga das ligas de titânio e tem efeitos óbvios na melhoria da temperatura ambiente e da resistência a altas temperaturas da liga, reduzindo a gravidade específica e aumentando o módulo de elasticidade.

② Fase β estável, elementos que diminuem a temperatura de transição de fase são elementos estabilizadores β. Eles podem ser divididos em isomorfos e eutéticos. O primeiro inclui molibdênio, nióbio, vanádio, etc.; este último inclui cromo, manganês, cobre, silício, etc.

③ Os elementos neutros que têm pouco efeito na temperatura de transição de fase incluem zircônio, estanho, etc.

Marca de titânio e liga de titânio e tabela de composição química

Graus mais comumente usados:

TA1 (Padrão Americano: Gr1)

TA1 (Gr1) O titânio é o primeiro de quatro graus industriais de titânio puro. É o mais macio e dúctil desses tipos. Possui a mais alta conformabilidade, excelente resistência à corrosão e alta tenacidade ao impacto. A classe TA1 é o material preferido para qualquer aplicação que exija fácil conformabilidade, normalmente usado para placas e tubos de titânio.

Classe TA2 (Padrão Americano: Gr2)

Devido à sua ampla e diversificada disponibilidade, o titânio grau TA2 é conhecido como o “burro de carga” da indústria comercial de titânio puro. Ele compartilha muitas qualidades com a liga de titânio grau TA1, mas é um pouco mais forte. Ambos são igualmente resistentes à corrosão.

Esta classe tem boa soldabilidade, resistência, ductilidade e conformabilidade. Isso torna as hastes e placas de titânio grau TA2 a melhor escolha para muitas aplicações na construção, geração de energia e indústria médica.

Grau TA3 (Padrão Americano: Gr3)

Esta classe é a menos utilizada das classes comerciais de titânio puro, mas isso não diminui seu valor. A classe TA3 é mais forte que as classes TA1 e TA2, com ductilidade semelhante, apenas um pouco menos de conformabilidade. Mas tem propriedades mecânicas superiores às de seus antecessores.

O grau TA3 é usado em aplicações que exigem resistência moderada e resistência à corrosão primária, como aeroespacial, processamento químico e indústria naval.

Classe TA4 (Padrão Americano: Gr4)

O grau TA4 é considerado o mais forte dos quatro graus comerciais de titânio puro. Também é conhecido por sua excelente resistência à corrosão, boa conformabilidade e soldabilidade. É usado em aplicações que exigem alta resistência, como alguns componentes de fuselagem, vasos de baixa temperatura, trocadores de calor, etc.

Classe TA9 (Padrão Americano: Gr7)

O grau TA9 é mecanicamente e fisicamente equivalente ao grau TA2, exceto que a adição de paládio o torna uma liga. O Grau 7 possui excelente soldabilidade e características, sendo a mais resistente à corrosão de todas as ligas de titânio.

Na verdade, é o mais resistente à corrosão na redução de ácidos. O grau TA9 é usado para processos químicos e componentes de equipamentos de produção. TA9 possui resistência à corrosão extremamente forte, especialmente na redução de ambientes ácidos.

TA9-1 (Padrão Americano: Gr11) Grau

O grau TA9-1 é muito semelhante ao grau TA1, com uma pequena quantidade de paládio adicionada para aumentar a resistência à corrosão, tornando-o uma liga. Esta resistência à corrosão pode ser usada para prevenir a corrosão em frestas e reduzir o ácido em ambientes com cloreto.

Outras propriedades úteis incluem ductilidade ideal, conformabilidade a frio, resistência útil, resistência ao impacto e excelente soldabilidade. Esta liga pode ser usada para as mesmas aplicações de titânio do grau 1, especialmente onde a corrosão é necessária.

Grau Ti 6Al-4V (padrão chinês TC4, padrão americano Gr5)

Muitas vezes referido como o “esteio” ​​das ligas de titânio, o Ti 6Al-4V ou titânio Grau 5 é a mais comumente usada de todas as ligas de titânio. É responsável por 50% do uso total de titânio no mundo. Sua popularidade decorre de suas inúmeras vantagens.

O Ti 6Al-4V pode ser tratado termicamente para aumentar sua resistência. Ele pode ser usado para soldar estruturas em temperaturas de uso de até 600°F. A liga tem alta resistência, conformabilidade útil e alta resistência à corrosão, ao mesmo tempo que é leve. A versatilidade do Ti 6Al-4V o torna a liga ideal para vários setores, como aeroespacial, médico, marítimo e processamento químico. Pode ser usado para criar os seguintes conteúdos técnicos:

• Turbinas de aeronaves
• Peças do motor
• Componentes estruturais de aeronaves
• Fixadores aeroespaciais
• Peças automotivas de alto desempenho
• Aplicações marítimas
• Equipamentos esportivos

Grau Ti 6AL-4V ELI (padrão chinês TC4ELI, padrão americano Gr23)

O grau Ti 6AL-4V ELI ou TC4ELI é uma forma mais pura de Ti 6Al-4V. Ele pode ser transformado em bobinas, fio trançado, fio elétrico ou fio plano. É a melhor escolha para qualquer situação que exija alta resistência, leveza, boa resistência à corrosão e alta tenacidade. Possui excelente tolerância a danos em comparação com outras ligas.

Essas vantagens tornam o grau TC4ELI o melhor grau de titânio odontológico e médico. Devido à sua biocompatibilidade, boa resistência à fadiga e baixo módulo, pode ser utilizado para aplicações biomédicas, como componentes implantáveis. Também é útil para procedimentos cirúrgicos detalhados, como:

• Pinos e parafusos ortopédicos
• Cabos ortopédicos
• Ligaduras
• Implantes cirúrgicos
• Aparelhos ortodônticos
• Substituições articulares
• Vasos criogênicos
• Dispositivos de fixação óssea

Grau TA10 (Padrão Americano Gr12)

O grau de titânio TA10 é classificado como “excelente” por sua soldabilidade de alta qualidade. É uma liga altamente durável que proporciona imensa resistência em altas temperaturas. O titânio grau TA10 possui características semelhantes às da série 300 de aço inoxidável.

Esta liga pode ser formada a quente ou a frio usando moldagem por prensagem, hidroformação, formação por estiramento ou martelamento. Sua capacidade de ser formado de diversas maneiras o torna útil em muitas aplicações. A alta resistência à corrosão desta liga também lhe confere um valor inestimável para a fabricação de equipamentos que precisam considerar a corrosão em frestas. O grau TA10 pode ser usado nas seguintes indústrias e aplicações:

• Cascas e trocadores de calor
• Aplicações hidrometalúrgicas
• Fabricação de produtos químicos em alta temperatura
• Componentes marítimos e aeronáuticos

Ti5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2.5Sn é uma liga não tratável termicamente que oferece boa soldabilidade e estabilidade. Ele também possui estabilidade em altas temperaturas, alta resistência, boa resistência à corrosão e boa resistência à fluência. Fluência refere-se ao fenômeno de deformação plástica que ocorre durante um longo período de tempo em altas temperaturas. O Ti 5Al-2.5Sn é usado principalmente em aplicações de aeronaves e fuselagem, bem como em aplicações de baixa temperatura.

Por último, em anexo está uma comparação entre os antigos e novos tipos de titânio e suas composições químicas de acordo com padrões nacionais e estrangeiros.

3. Aplicações de titânio e ligas de titânio

Embora os materiais de titânio e ligas de titânio sejam abundantes, seus preços são muito altos. Isso ocorre porque o titânio tem baixa atividade química em altas temperaturas, tornando sua tecnologia de fundição e ambiente operacional bastante exigentes. Deve ser fundido sob condições de alta temperatura e vácuo, muitas vezes atingindo temperaturas acima de 800°C.

Isso o torna muito mais desafiador do que a fundição de aço. Portanto, sempre que as pessoas mencionam ligas de titânio, elas as percebem como um material metálico de alta qualidade, de baixa produção e preços altos e, portanto, raramente utilizado.

Atualmente, devido às excelentes propriedades das ligas de titânio – sendo leves, de alta resistência e resistentes ao calor – o titânio e os materiais de ligas de titânio são amplamente utilizados na fabricação de armas de ponta e importantes instrumentos nacionais, particularmente na indústria aeroespacial. Aqui estão alguns exemplos de suas aplicações na indústria química:

1. Indústria de produção de álcalis

A introdução de resfriadores de titânio na indústria de produção de álcalis resolveu efetivamente o problema do gás cloro de qualidade inferior produzido devido ao processo de resfriamento tradicional irracional. Também mudou a face da indústria de cloro e álcalis, já que os resfriadores de liga de titânio investidos podem ter uma vida útil de até 20 anos.

2. Indústria de produção de sal

A tecnologia de produção de sal mais avançada utilizada atualmente é a produção de sal a vácuo. A salmoura concentrada em alta temperatura produzida durante esse processo pode causar sérios danos às estruturas de aço carbono, causando vazamentos nos equipamentos.

A implementação de uma estrutura composta de titânio-aço nas câmaras de aquecimento e evaporação pode prevenir eficazmente a incrustação de sal, melhorar a qualidade do sal e reduzir o impacto da corrosão da salmoura de alta concentração nas paredes do tubo durante o processo de evaporação, estendendo assim o ciclo de manutenção.

Indústria aeroespacial

1. Indústria da Aviação

As ligas de titânio usadas na aviação são divididas em ligas de titânio estruturais para aeronaves e ligas de titânio estruturais para motores. As principais aplicações de estruturas de liga de titânio em aeronaves incluem componentes de trens de pouso, estruturas, vigas, revestimentos de fuselagem e escudos térmicos. A aeronave Il-76 da Rússia usa liga de titânio BT22 de alta resistência para fabricar componentes importantes, como trem de pouso e vigas de suporte.

A travessa do trem de pouso principal do Boeing 747 é confeccionada em material Ti-6Al-4V, com peça forjada de 6,20 metros de comprimento e 0,95 metros de largura, pesando até 1.545 quilos. A liga de titânio Ti-62222S de alta resistência e alta tenacidade é usada em partes cruciais do eixo estabilizador horizontal do avião C-17.

Em termos de motores de aeronaves, as ligas de titânio são usadas em discos de compressores, pás, tambores, rotores de compressores de alta pressão e carcaças de compressores. A borda dianteira e a ponta da pá do ventilador do motor Boeing 747-8GENX são protegidas por uma carcaça de liga de titânio, que só foi substituída três vezes em um período de serviço de 10 anos.

2. Indústria de naves espaciais

As condições de trabalho das espaçonaves são extremamente duras. Além da necessidade de um design técnico superior nos materiais, as excelentes características e funções dos próprios materiais também são cruciais, fazendo com que as ligas de titânio se destaquem entre muitos materiais.

No campo dos equipamentos espaciais, durante o programa Apollo dos Estados Unidos na década de 1960, a cabine para dois homens da espaçonave, as vigas das asas da cabine fechada e as costelas eram todas feitas de Ti-5Al-2.5Sn, com revestimentos feitos de titânio puro .

A empresa alemã MT Aerospace produziu um tanque de armazenamento do sistema de propulsão em liga Ti-15V-3Cr de alta resistência, que é usado na plataforma gigante do satélite de comunicações europeu Alpha.

Existem muitos exemplos da aplicação de ligas de titânio russas na engenharia espacial, como o uso de uma grande liga de titânio BT23 de 3,5 toneladas forjada e forjada no foguete de carga Energia. Além disso, as ligas de titânio também são usadas nos tanques de combustível de motores de foguetes de combustível líquido, tanques de armazenamento de líquidos de baixa temperatura e impulsores de bombas de hidrogênio líquido.

Da mesma forma, no rápido desenvolvimento da engenharia espacial doméstica, as ligas de titânio são amplamente utilizadas. Desde o satélite Dongfang 1 em 1970 até a atual série de naves espaciais Shenzhou e sondas lunares Chang'e, ligas de titânio têm sido usadas.

Além disso, o cilindro de gás de liga de titânio TA7ELI de baixa temperatura desenvolvido pela China para uso em um ambiente de hidrogênio líquido foi usado na série de veículos de lançamento Longa Marcha. O Harbin Institute of Technology usou a liga de titânio TC4 para fazer os aros das rodas dos veículos lunares. Além disso, a China também utilizou BT20 e outras ligas de titânio de alta resistência para fabricar carcaças de motores e bicos de mísseis.

3. Aplicações Marítimas

O titânio e suas ligas são amplamente utilizados em submarinos nucleares, submersíveis profundos, quebra-gelos atômicos, hidrofólios, hovercraft, caça-minas, bem como em hélices, antenas chicote, tubulações de água do mar, condensadores, trocadores de calor, dispositivos acústicos e equipamentos de combate a incêndios. Por exemplo, os EUA

O submersível profundo “Sea Cliff” está equipado com cabine de observação e cabine de controle de titânio, capaz de mergulhar a profundidades de até 6.100m. A Toho Titanium Company do Japão, em colaboração com a Fujin Shipbuilding, construiu a “Mori Support Heaven II”, uma lancha de titânio que desfrutou de um período de altas vendas nos EUA. O primeiro submersível tripulado integrado e autoprojetado da China, o “Jiaolong”, também emprega ligas de titânio e cobre 99,8% das regiões oceânicas do mundo.

4. Questões e perspectivas existentes do titânio e suas ligas

Apesar dos avanços significativos no desenvolvimento do titânio e suas ligas, existem desafios que persistem. Esses desafios se enquadram principalmente em três categorias:

1) Aspecto da Produção

A China é um importante player na indústria de titânio, mas a quantidade de produtos de alta qualidade que produz é baixa e há escassez de produtos de titânio com características especiais.

Além disso, a China ainda não tem capacidade para produzir em massa tiras de titânio e perfis extrudados de titânio. Esta limitação dificulta o desenvolvimento e a utilização do titânio e suas ligas nas áreas aeroespacial e marítima. O objectivo de aumentar ainda mais a utilização de titânio em motores de aviação para cerca de 50% continua a ser um desafio considerável.

2) Aspecto de Desempenho

O titânio é altamente ativo quimicamente, tornando-o suscetível à contaminação por outros elementos. Isto exige um alto nível de precisão no processamento e fabricação de ligas de titânio.

Além disso, os produtos de alto desempenho resultantes exigem uma avaliação abrangente de suas propriedades mecânicas, físicas, químicas e tecnológicas. O declínio drástico na resistência à fluência e na resistência à oxidação em altas temperaturas acima de 600°C são os dois principais obstáculos à aplicação ampliada das ligas de titânio existentes.

3) Aspecto de custo

Atualmente, estão sendo feitos esforços em todo o mundo para reduzir os custos de aplicação de ligas de titânio, e um progresso considerável foi alcançado.

No entanto, em termos da situação actual da China, os níveis de gestão e tecnológicos do país ainda não atingiram um estado ideal. Seus produtos de liga de titânio produzidos internamente não possuem preços competitivos em escala internacional, o que é prejudicial para seu uso mais amplo.

Atualmente, os principais campos de aplicação das ligas de titânio permanecem nos setores industrial aeroespacial e militar. No entanto, as perspectivas de desenvolvimento de novos campos de aplicação, como automóveis, comboios, comboios de alta velocidade e até mesmo sectores civis quotidianos, ainda são vastas.

Além disso, a substituição de elementos de liga caros por outros mais baratos, bem como a redução do custo dos componentes da liga de titânio através de meios tecnológicos, são assuntos importantes em pesquisas futuras em ligas de titânio. Assim que as aplicações de ponta de ligas de titânio atingirem a fabricação de baixo custo, elas encontrarão uso em vários campos.