Já alguma vez se interrogou sobre o segredo por detrás da resistência e durabilidade das ligas de titânio? Neste artigo, vamos mergulhar no fascinante mundo das técnicas de tratamento térmico que transformam estas ligas em materiais de elevado desempenho. A nossa equipa de especialistas irá guiá-lo através dos princípios, processos e efeitos de vários métodos de tratamento térmico, fornecendo informações valiosas tanto para engenheiros como para entusiastas. Prepare-se para descobrir a ciência por detrás das propriedades notáveis das ligas de titânio!
(1) A transformação de fase martensítica não causa alterações significativas nas propriedades das ligas de titânio. Esta caraterística é diferente da transformação de fase martensítica do aço. O reforço do tratamento térmico das ligas de titânio assenta na decomposição por envelhecimento da fase sub-estável formada pela têmpera, incluindo a fase martensítica. Tratamento térmico para ligas puras do tipo A titânio é basicamente ineficaz; é utilizado principalmente para ligas de titânio do tipo α+β.
(2) O tratamento térmico deve evitar a formação da fase ω, pois torna as ligas de titânio frágeis. A escolha correcta do processo de envelhecimento pode fazer com que a fase ω se decomponha, tal como a utilização de uma temperatura de envelhecimento mais elevada.
(3) É difícil refinar os grãos de ligas de titânio utilizando transformações de fase repetidas, ao contrário dos materiais de aço. A transformação de fase repetida de austenite e a perlite (ou ferrite, cementite) podem controlar a nucleação e o crescimento de novas fases para obter o refinamento do grão na maioria dos aços. Este fenómeno não existe nas ligas de titânio.
(4) A baixa condutividade térmica pode levar a uma baixa temperabilidade das ligas de titânio, especialmente as ligas de titânio α + β. O estresse térmico de têmpera é grande, e as peças são propensas a deformar durante a têmpera. Devido à baixa condutividade térmica, a deformação da liga de titânio causa facilmente o aumento da temperatura local, o que pode fazer com que a temperatura local exceda o ponto de transformação β e forme a estrutura Widmanstatten.
(5) As propriedades químicas vivas fazem com que as ligas de titânio reajam facilmente com o oxigénio e o vapor de água durante o tratamento térmico. Forma uma camada rica em oxigénio ou escamas na superfície da peça de trabalho, reduzindo o desempenho da liga. Ao mesmo tempo, as ligas de titânio tendem a absorver hidrogénio durante o tratamento térmico, causando fragilização por hidrogénio.
(6) O ponto de transição β varia significativamente, mesmo que se trate da mesma composição, devido a diferentes fornos de fundição.
(7) Ao aquecer na região da fase β, os grãos β tendem a crescer mais. O engrossamento dos grãos β pode fazer com que a plasticidade da liga diminua drasticamente, pelo que a temperatura e o tempo de aquecimento devem ser rigorosamente controlados. O tratamento térmico para aquecimento na região da fase β deve ser usado com cautela.
A transformação de fase da liga de titânio é a base do tratamento térmico da liga de titânio. Para melhorar o desempenho das ligas de titânio, é necessário utilizar um tratamento térmico adequado, para além de uma liga razoável.
Existem muitos tipos de tratamentos térmicos para ligas de titânio, incluindo tratamento de recozimento, tratamento de envelhecimento, tratamento térmico de deformação e tratamento térmico químico, entre outros.
O recozimento é adequado para várias ligas de titânio e o seu principal objetivo é eliminar as tensões, melhorar a plasticidade da liga e estabilizar a estrutura.
As formas de recozimento incluem o recozimento de alívio de tensões, o recozimento de recristalização e o recozimento duplo, recozimento isotérmico, recozimento a vácuo, entre outros.
A Figura 1 mostra a gama de temperaturas de recozimento da liga de titânio utilizando vários métodos.
Figura 1 Diagrama esquemático da gama de temperaturas de recozimento de vários métodos na liga de titânio
(1) Recozimento para alívio de tensões.
O recozimento para alívio de tensões pode ser utilizado para eliminar tensão interna gerados durante a fundição, a deformação a frio e a soldadura.
A temperatura para o recozimento de alívio de tensões deve ser inferior à temperatura de recristalização, normalmente entre 450-650 ℃.
O tempo necessário depende do tamanho da secção transversal da peça de trabalho, do histórico de processamento e do grau de alívio de tensões necessário.
(2) Recozimento normal.
O objetivo do recozimento normal é eliminar as tensões básicas no produto semi-acabado de liga de titânio e aumentar a resistência e a plasticidade de acordo com as condições técnicas exigidas.
A temperatura de recozimento e a temperatura de recristalização são normalmente equivalentes ou ligeiramente inferiores à temperatura inicial. Este processo de recozimento é geralmente utilizado em produtos metalúrgicos de fábrica e também pode ser designado por recozimento de fábrica.
(3) Completar o recozimento.
O objetivo do recozimento completo é eliminar completamente o endurecimento do processo, estabilizar a organização e melhorar a plasticidade. Este processo ocorre principalmente através da recristalização e também é conhecido como recozimento de recristalização.
A temperatura de recozimento situa-se preferencialmente entre a temperatura de recristalização e a temperatura de transição de fase. Se a temperatura exceder a temperatura de transição de fase, formar-se-á a estrutura Widmanstatten e as propriedades da liga deteriorar-se-ão.
O tipo de recozimento, a temperatura e os métodos de arrefecimento são diferentes para os vários tipos de ligas de titânio.
(4) Duplo recozimento.
O recozimento duplo pode ser utilizado para melhorar a plasticidade da liga, a resistência à fratura e a estabilidade da organização. Após o recozimento, a organização da liga é mais uniforme e próxima do estado de equilíbrio.
Este tipo de recozimento é frequentemente utilizado para garantir a estabilidade da estrutura e o desempenho de ligas de titânio resistentes ao calor sob alta temperatura e tensão a longo prazo.
O recozimento duplo envolve o aquecimento e o arrefecimento da liga duas vezes. A temperatura de aquecimento do primeiro recozimento a alta temperatura é superior ou próxima da temperatura final de recristalização, de modo a que a recristalização possa prosseguir totalmente sem um crescimento significativo do grão de cristal, e a fração de volume da fase ap seja controlada.
A estrutura não é suficientemente estável após o arrefecimento ao ar e é necessário um segundo recozimento a baixa temperatura. A temperatura de recozimento é inferior à temperatura de recristalização, e a temperatura é mantida durante um longo período de tempo para decompor totalmente a fase β metaestável obtida por recozimento a alta temperatura.
O recozimento isotérmico pode obter a melhor plasticidade e estabilidade térmica e é adequado para ligas de titânio de fase dupla com um elevado teor de elementos estabilizadores β.
O recozimento isotérmico adota o resfriamento hierárquico, o que significa que, após o aquecimento a uma temperatura acima da temperatura de recristalização, a peça de trabalho é imediatamente transferida para outro forno de temperatura mais baixa (geralmente 600-650 ℃) para isolamento e, em seguida, resfriada ao ar até a temperatura ambiente.
O envelhecimento por têmpera é a principal forma de reforçar o tratamento térmico da liga de titânio, utilizando a mudança de fase para produzir um efeito de reforço, que também é conhecido como reforço do tratamento térmico.
O efeito de reforço do tratamento térmico da liga de titânio é determinado pela natureza do elemento de ligaA concentração e as especificações do tratamento térmico.
Estes factores afectam o tipo, a composição, a quantidade e a distribuição da fase metaestável obtida pela têmpera da liga, bem como a natureza, a estrutura e a dispersividade da fase precipitada durante a decomposição da fase metaestável, que está relacionada com a composição da liga, as especificações do processo de tratamento térmico e a estrutura original.
Para ligas com uma determinada composição, o efeito do reforço por envelhecimento depende do processo de tratamento térmico selecionado.
Quanto mais elevada for a temperatura de arrefecimento, mais óbvio será o efeito de reforço do envelhecimento, mas o arrefecimento acima da temperatura de transformação β causará fragilidade devido a grãos excessivamente grosseiros.
Para ligas de titânio bifásicas com menor concentração, pode ser utilizada uma têmpera a temperatura mais elevada para obter mais martensite.
As ligas de titânio bifásicas com uma concentração mais elevada devem ser temperadas a uma temperatura mais baixa para obter uma fase β mais metaestável, de modo a que se possa obter o efeito máximo de reforço do envelhecimento.
O método de arrefecimento é geralmente arrefecido a água ou a óleo, e o processo de arrefecimento deve ser rápida para evitar a decomposição da fase β durante o processo de transferência e reduzir o efeito de reforço do envelhecimento.
A temperatura e o tempo de envelhecimento devem ser escolhidos para obter os melhores critérios de desempenho geral, com uma temperatura geral de envelhecimento de 500-600 ℃ em liga de titânio do tipo α + β e um tempo de 4-12 horas.
A temperatura de envelhecimento da liga de titânio do tipo β é de 450-550 ℃, o tempo é de 8-24 horas e o método de resfriamento é o resfriamento a ar.
O tratamento térmico por deformação é uma combinação eficaz do processamento de pressão (forjamento, laminagem, etc.) e da tecnologia de tratamento térmico, que permite o reforço por deformação e o reforço por tratamento térmico para obter uma organização e um desempenho abrangente que não podem ser alcançados com um único método de reforço.
Um processo comum de tratamento térmico por deformação é mostrado na Figura 2.
Diferentes tipos de termomecânico Os tratamentos térmicos são classificados de acordo com a relação entre a temperatura de deformação e a temperatura de recristalização e a temperatura de transição de fase.
De acordo com a temperatura de deformação, pode ser dividido em
Figura 2 Representação esquemática do processo de tratamento térmico de deformação na liga de titânio.
(a) Tratamento térmico de deformação a alta temperatura;
(b) Tratamento térmico de deformação a baixa temperatura
(1) Tratamento termomecânico a alta temperatura
Envolve o aquecimento acima da temperatura de recristalização, a deformação de 40% a 85%, depois a têmpera rápida e, em seguida, o tratamento térmico de envelhecimento convencional.
(2) Tratamento termomecânico a baixa temperatura
A deformação é efectuada cerca de 50% abaixo da temperatura de recristalização, seguida de um tratamento de envelhecimento convencional.
(3) Tratamento termomecânico composto
Trata-se de um processo que combina o tratamento termomecânico a alta temperatura com o tratamento termomecânico a baixa temperatura.
As ligas de titânio têm um elevado coeficiente de atrito e uma fraca resistência ao desgaste (geralmente cerca de 40% inferior à do aço), o que as torna propensas a aderir às superfícies de contacto e a provocar corrosão por atrito.
As ligas de titânio são mais resistentes à corrosão em meios oxidantes, mas menos resistentes à corrosão em meios redutores (como o ácido clorídrico, o ácido sulfúrico, etc.).
Para melhorar estas propriedades, a galvanoplastia, a pulverização e o tratamento térmico químico (como nitretaçãooxigenação, etc.) podem ser utilizados.
A dureza da camada nitretada após a nitretação é 2 a 4 vezes superior à da camada superficial sem nitretação, melhorando significativamente a resistência ao desgaste da liga, ao mesmo tempo que melhora a resistência à corrosão da liga em meios redutores.
A infiltração de oxigénio pode aumentar a resistência à corrosão da liga em 7-9 vezes, mas a plasticidade e a resistência à fadiga da liga perder-se-ão em diferentes graus.
Características microestruturais da liga de titânio
Nas ligas de titânio, especialmente nas ligas de titânio duplex α+β, pode ser observada uma grande variedade de estruturas.
Estas estruturas diferem em morfologia, tamanho de grão e estrutura intragranular, dependendo principalmente da composição da liga, do processo de deformação e do processo de tratamento térmico.
Em geral, as ligas de titânio têm duas fases básicas: a fase α e a fase β.
As propriedades mecânicas das ligas de titânio dependem em grande medida da proporção, morfologia, tamanho e distribuição destas duas fases.
Os tipos estruturais das ligas de titânio podem ser divididos basicamente em quatro categorias: Estrutura Widmanstatten (estrutura lamelar), estrutura em cesta, estrutura bimodal e estrutura isométrica.
A Figura 3 mostra as características morfológicas típicas dos vários tipos de ligas de titânio.
A Tabela 1 fornece os índices de desempenho da liga de titânio TC4 em quatro estados estruturais típicos, que mostram que o desempenho de diferentes estruturas varia muito.
Quadro 1: Influência de quatro tecidos típicos no desempenho da liga TC4
| Propriedade mecânica | Resistência à compressão σ /MPa | Alongamento δ /% | Resistência ao impacto αk /(KJ*m-2) | Resistência à fratura KIC /(MPa*m1/2) |
| estrutura lamelar | 1020 | 9.5 | 355.3 | 102 |
| estrutura em cestaria | 1010 | 13.5 | 533 | ___ |
| estrutura bimodal | 980 | 13 | 434.3 | ___ |
| estrutura isométrica | 961 | 16.5 | 473.8 | 58.9 |
Figura 3 Organização típica em ligas de titânio
(a) tecido lamelar; (b) tecido em cesta; (c) tecido bimodal; (d) tecido isométrico
Ltecido amelar
É caracterizada por grãos de cristal β originais grosseiros e fase α de contorno de grão completo, formando "feixes" de tamanho grande nos grãos de cristal β originais, e há mais nos mesmos "feixes". As fatias são paralelas entre si e têm a mesma orientação, como mostra a Figura 3(a).
Este tipo de microestrutura é a estrutura formada quando a liga não é deformada ou deformada após o aquecimento na região da fase beta, e é lentamente arrefecida a partir da região da fase beta. Quando a liga tem esta estrutura, a sua resistência à fratura, durabilidade e resistência à fluência são boas, mas a sua plasticidade, resistência à fadiga, sensibilidade ao entalhe, estabilidade térmica e resistência à corrosão por tensão térmica são muito fracas. Estas propriedades variam com o tamanho do "feixe" α e com a espessura do contorno de grão α. O "feixe" α torna-se mais pequeno, o contorno de grão α torna-se mais fino e o desempenho global é melhorado.
Btecido de asketweave
A sua caraterística é que o limite de grão β original é destruído durante o processo de deformação, e não aparece nenhum ou apenas uma pequena quantidade de limite de grão granular disperso α, e as fatias α no grão β original tornam-se mais curtas.
O tamanho de α "bundle" é pequeno, e os aglomerados estão dispostos de forma escalonada, como um cesto tecido, como mostra a Figura 3(b).
Este tipo de microestrutura é geralmente formado quando a liga é aquecida ou começa a deformar-se na região da fase β ou a quantidade de deformação na região da fase dupla (α+β) não é suficientemente grande.
A estrutura do cesto de malha fina não só tem melhor plasticidade, resistência ao impacto, resistência à fratura e resistência à fadiga de ciclo elevado, como também tem melhor resistência térmica.
Bimodal tecido
A sua caraterística é que o α primário não ligado está distribuído na matriz do tecido de transformação p, mas o conteúdo total não excede 50%, como se mostra na Figura 3(c).
Quando a temperatura de aquecimento da deformação térmica ou do tratamento térmico da liga de titânio é inferior à temperatura de transformação β, uma estrutura de estado duplo pode geralmente ser obtida.
A estrutura bimodal refere-se ao facto de a fase α na organização ter duas formas: uma é a fase α equiaxial primária e a outra é a fase α lamelar na organização β-transformada, que corresponde à fase α primária.
A fase é também designada por fase α secundária ou fase α secundária.
Esta estrutura forma-se quando a liga se encontra a uma temperatura mais elevada e a uma maior deformação na zona de dupla fase (α+β).
Itecido sométrico
A sua caraterística é que uma certa quantidade de estrutura β transformada é distribuída na matriz de fase α primária com um conteúdo uniformemente distribuído de mais de 50%, como se mostra na Figura 3(d).
O processamento de deformação e o tratamento térmico da liga de titânio são todos realizados na zona de fase dupla (α + β) ou na zona de fase α, e quando a temperatura de aquecimento é muito menor do que a temperatura de transformação β, uma estrutura equiaxial pode geralmente ser obtida.
Em comparação com outras estruturas, esta estrutura tem melhor plasticidade, resistência à fadiga e estabilidade térmica, mas a sua resistência à fratura, durabilidade e resistência à fluência são piores.
Dado que esta estrutura tem um melhor desempenho global, é atualmente a mais utilizada.
Efeito do processo de tratamento térmico na evolução da microestrutura da liga de titânio
O processo de tratamento térmico das ligas de titânio é apresentado na Figura 4.
Os principais parâmetros que são controlados durante o processo são a temperatura da solução sólida, o tempo de solução sólida, o método de arrefecimento (incluindo arrefecimento com água(arrefecimento a óleo e arrefecimento a ar), arrefecimento do forno, temperatura de envelhecimento e tempo de envelhecimento.
Figura 4 Diagrama do processo de um tratamento térmico típico
Efeito da temperatura da solução sólida na microestrutura da liga TC21
A Figura 5 mostra a microestrutura da liga TC21 em diferentes temperaturas de solução sólida.
Verifica-se que, à medida que a temperatura da solução sólida aumenta, a fração volumétrica da fase αp diminui.
Quando a temperatura da solução sólida é superior a Tβ, a fase αp desaparece.
Durante o tratamento de solução a 940°C, devido à obstrução da fase αp equiaxial, os limites de grão dos grãos β dobram-se e curvam-se, como mostra a seta na Figura 5(c).
Quando um tratamento de solução é aplicado a uma temperatura superior a Tβ (ou seja, 1000°C), a fase αp desaparece.
À medida que os obstáculos ao movimento dos limites dos grãos β desaparecem, os grãos β crescem acentuadamente, com um diâmetro médio de cerca de 300 μm, como mostra a Figura 5 (d).
Pode ser visto que a temperatura da solução tem um efeito significativo na microestrutura da liga TC21.
Quando a região de dupla fase (α+β) é tratada com solução sólida, o tamanho, a morfologia e a distribuição da fase αp afectam diretamente o tamanho dos grãos de cristal β.
A fase αp e o tamanho de grão β da liga de titânio desempenham um papel vital nas propriedades mecânicas da liga.
Para evitar o rápido crescimento de grãos β, a temperatura da solução sólida da liga TC21 deve ser selecionada abaixo de Tβ, para que se possa obter um tamanho de grão relativamente adequado e uma estrutura de estado duplo composta por fases primárias e secundárias.
Figura 5 O efeito da temperatura da solução na microestrutura da liga TC21
(a)850℃/AC; b)910℃/AC; c)940℃/AC; d)1000℃/AC
Efeito do tempo de solução na microestrutura da liga TC21
A Figura 6 mostra a microestrutura da liga TCIZ após tratamento em solução e arrefecimento ao ar durante 4 horas.
A partir das Figuras 6, 5(a) e 5(b), pode ver-se que a fração volumétrica e a distribuição da fase ap na liga TC21 não se alteram significativamente com o aumento do tempo de solução.
É evidente que quando o tratamento da solução atinge um determinado tempo, a microestrutura da liga TC21 não é sensível ao tempo de tratamento da solução, mas a temperatura do tratamento da solução desempenha um papel decisivo na estrutura da solução sólida da liga.
Figura 6 O efeito do tempo de solução na microestrutura da liga TC21
(a)850℃/4h, AC; (b)910℃/4h, AC
Efeito do método de arrefecimento na microestrutura da liga TC21
A Figura 7 mostra o efeito dos métodos de arrefecimento na microestrutura da liga TC21.
Pode verificar-se que o método de arrefecimento tem um efeito significativo na microestrutura da liga TC21 após o tratamento por solução.
Nas condições WQ e OQ, devido à taxa de arrefecimento mais rápida, apenas se forma β metaestável, mas não se forma βT.
Em condições de corrente alternada, forma-se uma certa quantidade de βT.
O tamanho da fase αp obtido nas condições WQ e OQ é ligeiramente inferior ao obtido nas condições AC.
Esta diferença deve-se à taxa de arrefecimento lenta da CA, permitindo que a fase αp na liga cresça completamente durante o processo de arrefecimento (fazendo com que o teor de fase αp na liga aumente e agregue o crescimento sob condições de CA).
No processo de arrefecimento mais lento, a fase β a alta temperatura também pode ser totalmente transformada para formar βT.
Figura 7 Efeito do método de arrefecimento na microestrutura da liga TC21
(a)910℃/1h, WQ; (b)910℃/1h, OQ; (c)910℃/1h, AC
Efeito da temperatura de envelhecimento na estrutura da liga TC21
A Figura 8 mostra uma fotografia da microestrutura da liga TC21 envelhecida a 500°C e 600°C.
É evidente na Figura 8 que a estrutura da liga após o envelhecimento é composta pela fase αp e pela fase βT.
À medida que o envelhecimento avança, a fase α secundária cresce e funde-se.
A fase α secundária aumenta gradualmente com o aumento da temperatura de envelhecimento.
Conforme ilustrado na Figura 8 (a), (b) e (c), a 500 °C de envelhecimento, devido à baixa temperatura de envelhecimento, o β subestável obtido a partir do tratamento com solução sólida não tem a força motriz para a decomposição durante o processo de envelhecimento e, portanto, são formadas menos fases secundárias.
Figura 8 Efeito da temperatura de envelhecimento na estrutura da liga TC21
Efeito do tempo de envelhecimento na estrutura da liga TC21
A Figura 9 mostra fotos da microestrutura da liga TC12 envelhecida a 550°C por diferentes tempos.
Pode observar-se na Figura 9 que, com o aumento da duração do envelhecimento, a fração volumétrica da fase βT aumenta, enquanto o tamanho da fase αp não se altera significativamente, mas ocorrem fenómenos de aglomeração e crescimento.
As fases α secundárias maiores, em forma de faixa, também parecem fundir-se e crescer.
Figura 9 O efeito do tempo de envelhecimento na estrutura da liga TC21
Efeito do tratamento térmico na microestrutura de uma liga típica de titânio
Ao controlar as condições do processo de tratamento térmico da liga TC12 e da liga Ti60, obtêm-se dois tipos principais de microestrutura lamelar e microestrutura bimodal, como se mostra na Figura 10.
Figura 10 O efeito do tratamento térmico na microestrutura de uma liga de titânio típica
A Figura 10 mostra que a liga Ti600 pode obter estruturas LM e BM seleccionando a temperatura da solução sólida acima e abaixo de Tb (1010°C), respetivamente.
A espessura da lamela no tecido LM é de 2-3 μm, e a fração de volume da fase αp no tecido BM é de cerca de 20%, com um diâmetro médio de cerca de 15 μm.
A Figura 10(f) exibe a microestrutura da liga Ti600 com estrutura BM após 100h de exposição térmica (TE) a 600℃.
As diferenças entre os tecidos BM e BM+TE não podem ser distinguidas apenas a partir dos tecidos microscópicos apresentados na Figura 10 (e) e (f).
A fase αp rica em Al em ligas de titânio de alta temperatura é suscetível de precipitar a fase α2 (Ti3Al) durante o envelhecimento a longo prazo ou a exposição térmica.
Por microscopia eletrónica de transmissão, a fase α2 foi encontrada na fase αp da liga Ti600 do tecido BM após exposição térmica, como se mostra na Figura 11.
Figura 11 Morfologia TEM e padrão de difração de electrões de área selecionada da fase α2 na liga Ti600 após exposição térmica
(a) Topografia TEM; (b) padrão de difração de electrões de área selecionada
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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