Titânio e suas ligas: Tudo o que precisa de saber

1. Origem do 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 tinha dado a esta substância metálica desconhecida o nome dos deuses gregos, os Titãs, que se traduz em "Titanium" em inglês.

O titânio é abundante na Terra, com mais de 140 tipos conhecidos de minerais de titânio. No entanto, as principais aplicações industriais provêm da ilmenite e do rutilo. A China detém 28% das reservas mundiais de ilmenite, ocupando o primeiro lugar a nível mundial.

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

É também utilizado nos grandes projectos do nosso país, como o Jade Rabbit, o J-20 e o porta-aviões Shandong. Depois de entrar no mercado de consumo na década de 1980, as suas propriedades antibacterianas e biocompatíveis naturais tornaram-no o "Rei de Honra" na indústria da loiça de mesa.

A indústria de titânio da China teve início na década de 1950. Em meados da década de 1960, a China tinha estabelecido fábricas de esponja de titânio e de transformação de titânio em Zunyi e Baoji, respetivamente, marcando a China como uma das potências mundiais na indústria do titânio.

No século XXI, a indústria de titânio da China entrou num novo período de desenvolvimento acelerado, com a sua capacidade de produção de titânio a liderar 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 teor de elementos de impureza. Possui excelente processabilidade de estampagem e soldabilidadeO aço de corte é insensível ao tratamento térmico e aos tipos de organização, e tem uma certa resistência em condições de plasticidade satisfatórias. A sua resistência depende principalmente do teor de oxigénio e azoto.

As propriedades do titânio industrial puro 99,5% são: densidade P=4,5g/cm³, ponto de fusão é 1800°C, condutividade térmica λ=15,24W/(M.K), resistência à tração σ b=539MPa, alongamento: δ =25%, taxa de retração transversal ψ=25%, módulo de elasticidade E=1,078×105MPa, dureza HB195.

Liga de titânio

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

São utilizados principalmente em peças de motores aeronáuticos, foguetões, mísseis, etc. O titânio tem dois tipos de cristais birrefringentes homomórficos. O titânio é um isomorfo homomórfico, com um ponto de fusão de 1720°C. Abaixo de 882°C, apresenta uma estrutura cristalina hexagonal densa, denominada α-titânio; acima de 882°C, apresenta uma estrutura cúbica de treliça centrada no corpo, denominada β-titânio.

Utilizando as diferentes características das duas estruturas de titânio acima referidas, adicionando elementos de liga adequados e alterando gradualmente a temperatura de transição de fase e o teor 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, os elementos que diminuem a temperatura de transição de fase são elementos β-estabilizadores. Eles podem ser divididos em isomorfos e eutéticos. Os primeiros incluem o molibdénio, o nióbio, o vanádio, etc.; os segundos incluem o crómio, o manganês, o cobre, o silício, etc.

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

Tabela de composição química e marcas de titânio e ligas de titânio

Classes mais utilizadas:

TA1 (Norma americana: Gr1)

O titânio TA1 (Gr1) é o primeiro de quatro graus de titânio puro industrial. É o mais macio e o mais dúctil destes graus. Tem a mais elevada formabilidade, excelente resistência à corrosão e elevada resistência ao impacto. O grau TA1 é o material de eleição para qualquer aplicação que exija uma fácil conformabilidade, sendo normalmente utilizado para placas e tubos de titânio.

TA2 (Norma americana: Gr2) Grau

Devido à sua disponibilidade diversificada e alargada, o titânio de grau TA2 é conhecido como o "cavalo de batalha" da indústria comercial de titânio puro. Partilha muitas qualidades com a liga de titânio de grau TA1, mas é ligeiramente mais forte. Ambas são igualmente resistentes à corrosão.

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

TA3 (Norma americana: Gr3) Grau

Esta classe é a menos utilizada das classes comerciais de titânio puro, mas isso não diminui o seu valor. A qualidade TA3 é mais forte do que as qualidades TA1 e TA2, com ductilidade semelhante, mas com uma formabilidade ligeiramente inferior. Mas tem propriedades mecânicas mais elevadas do que os seus antecessores.

O tipo TA3 é utilizado em aplicações que requerem uma força moderada e uma resistência primária à corrosão, como a indústria aeroespacial, o processamento químico e a indústria marítima.

TA4 (Norma americana: Gr4) Grau

O grau TA4 é considerado o mais forte dos quatro graus comerciais de titânio puro. É também conhecido pela sua excelente resistência à corrosão, boa formabilidade e soldabilidade. É utilizado em aplicações que requerem elevada resistência, tais como alguns componentes de fuselagem, recipientes de baixa temperatura, permutadores de calor, etc.

TA9 (Norma americana: Gr7) Grau

O grau TA9 é mecânica e fisicamente equivalente ao grau TA2, exceto que a adição de paládio faz dele uma liga. O grau 7 tem uma excelente soldabilidade e características, sendo a mais resistente à corrosão de todas as ligas de titânio.

De facto, é o mais resistente à corrosão em ácidos redutores. O tipo TA9 é utilizado para componentes de processos químicos e de equipamento de produção. O TA9 tem uma resistência à corrosão extremamente forte, especialmente em ambientes ácidos redutores.

TA9-1 (Norma americana: 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 utilizada para evitar a corrosão em fendas e reduzir o ácido em ambientes de cloreto.

Outras propriedades úteis incluem ductilidade óptima, conformabilidade a frio, resistência útil, resistência ao impacto e excelente soldabilidade. Esta liga pode ser utilizada para as mesmas aplicações de titânio que o grau 1, especialmente quando a corrosão é necessária.

Ti 6Al-4V (Norma chinesa TC4, Norma americana Gr5) Grau

Muitas vezes referido como o "pilar" das ligas de titânio, o Ti 6Al-4V ou titânio de grau 5 é a mais utilizada de todas as ligas de titânio. Representa 50% da utilização total de titânio no mundo. A sua popularidade deve-se às suas inúmeras vantagens.

O Ti 6Al-4V pode ser tratado termicamente para aumentar a sua resistência. Pode ser utilizada para soldar estruturas a temperaturas de utilização tão elevadas como 600°F. A liga tem uma elevada resistência, uma formabilidade útil e uma elevada resistência à corrosão, sendo simultaneamente leve. A versatilidade do Ti 6Al-4V faz dele a liga ideal para várias indústrias, como a aeroespacial, médica, marítima e de processamento químico. Pode ser utilizada para criar os seguintes conteúdos técnicos:

• Turbinas para aviões
• Peças de motor
• Componentes estruturais de aeronaves
• Fixadores aeroespaciais
• Peças para automóveis de elevado desempenho
• Aplicações marítimas
• Equipamento desportivo

Ti 6AL-4V ELI (Norma chinesa TC4ELI, Norma americana Gr23) Grau

A classe Ti 6AL-4V ELI ou TC4ELI é uma forma mais pura de Ti 6Al-4V. Pode ser transformado em bobinas, fio entrançado, fio elétrico ou fio plano. É a melhor escolha para qualquer situação que exija elevada resistência, leveza, boa resistência à corrosão e elevada tenacidade. Apresenta uma excelente tolerância aos danos em comparação com outras ligas.

Estas vantagens fazem da classe TC4ELI a melhor classe de titânio dentário e médico. Devido à sua biocompatibilidade, boa resistência à fadigae baixo módulo, pode ser utilizado para aplicações biomédicas, tais como componentes implantáveis. Também é útil para procedimentos cirúrgicos pormenorizados, tais como:

• Pinos e parafusos ortopédicos
• Cabos ortopédicos
• Ligaduras
• Implantes cirúrgicos
• Aparelhos ortodônticos
• Substituições de articulações
• Recipientes criogénicos
• Dispositivos de fixação óssea

TA10 (American Standard Gr12) Grau

O grau TA10 de titânio é classificado como "excelente" pela sua elevada qualidade de soldadura. É uma liga altamente durável que proporciona uma imensa resistência a altas temperaturas. O titânio de grau TA10 tem características semelhantes às da série 300 de aço inoxidável.

Esta liga pode ser conformada a quente ou a frio utilizando moldagem por pressão, hidroconformação, conformação por estiramento ou martelagem. A sua capacidade de ser conformada de várias maneiras torna-a útil em muitas aplicações. A elevada resistência à corrosão desta liga também lhe confere um valor inestimável para o fabrico de equipamento que necessita de considerar a corrosão em fendas. O grau TA10 pode ser utilizado nas seguintes indústrias e aplicações:

• Conchas e permutadores de calor
• Aplicações hidrometalúrgicas
• Fabrico de produtos químicos a alta temperatura
• Componentes marítimos e aeronáuticos

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn é uma liga não tratável termicamente que oferece boa soldabilidade e estabilidade. Também possui estabilidade a altas temperaturas, alta resistência, boa resistência à corrosão e boa resistência à fluência. A fluência refere-se ao fenómeno de deformação plástica que ocorre durante um longo período de tempo a temperaturas elevadas. O Ti 5Al-2.5Sn é utilizado principalmente em aplicações aeronáuticas e de fuselagem, bem como em aplicações de baixa temperatura.

Por último, é apresentada em anexo uma comparação entre as antigas e as novas qualidades de titânio e as suas composições químicas de acordo com as normas estrangeiras e nacionais.

3. Aplicações do titânio e das ligas de titânio

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

Isto torna-a muito mais difícil do que a fundição de aço. Por conseguinte, sempre que as pessoas mencionam ligas de titânio, consideram-nas um material metálico de alta qualidade com baixa produção e preços elevados, pelo que raramente são utilizadas.

Atualmente, devido às excelentes propriedades das ligas de titânio - leveza, alta resistência e resistência ao calor -, o titânio e os materiais de liga de titânio são amplamente utilizados no fabrico de armas de ponta e de importantes instrumentos nacionais, nomeadamente na indústria aeroespacial. Eis alguns exemplos das suas aplicações na indústria química:

1. Indústria de produção de álcalis

A introdução de refrigeradores de titânio na indústria de produção de álcalis resolveu eficazmente a questão do cloro gasoso de qualidade inferior produzido devido ao processo de arrefecimento tradicional pouco razoável. Também mudou a face da indústria de cloro e álcalis, uma vez que os refrigeradores 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 atualmente utilizada é a produção de sal por vácuo. A salmoura concentrada e a alta temperatura produzida durante este processo pode causar danos graves nas estruturas de aço-carbono, provocando fugas no equipamento.

A implementação de uma estrutura composta de aço-titânio 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 dos tubos durante o processo de evaporação, prolongando assim o ciclo de manutenção.

Indústria aeroespacial

1. Sector da aviação

As ligas de titânio utilizadas na aviação dividem-se em ligas de titânio estruturais para aeronaves e ligas de titânio estruturais para motores. As principais aplicações das estruturas de ligas de titânio em aeronaves incluem componentes do trem de aterragem, estruturas, vigas, revestimentos da fuselagem e escudos térmicos. O avião Il-76 da Rússia utiliza a liga de titânio BT22 de alta resistência para fabricar componentes-chave como o trem de aterragem e as vigas de suporte de carga.

A viga transversal do trem de aterragem principal do Boeing 747 é feita de material Ti-6Al-4V, com uma peça forjada que mede 6,20 metros de comprimento e 0,95 metros de largura, pesando até 1545 quilogramas. A liga de titânio Ti-62222S, de elevada resistência e dureza, é utilizada em partes cruciais do eixo estabilizador horizontal do avião C-17.

Em termos de motores de avião, as ligas de titânio são utilizadas em discos de compressores, lâminas, tambores, rotores de compressores de alta pressão e invólucros de compressores. O bordo de ataque e a ponta da pá do ventilador do motor do Boeing 747-8GENX são protegidos por um invólucro de liga de titânio, que só foi substituído três vezes num período de serviço de 10 anos.

2. Indústria de veículos espaciais

As condições de trabalho das naves espaciais são extremamente duras. Para além da necessidade de uma conceção técnica superior dos materiais, as excelentes características e funções dos próprios materiais são também cruciais, fazendo com que as ligas de titânio se destaquem entre muitos materiais.

No domínio do equipamento espacial, durante o programa Apollo dos Estados Unidos na década de 1960, a cabina para dois homens da nave espacial, as vigas da asa da cabina fechada e as nervuras eram todas feitas de Ti-5Al-2.5Sn, com revestimentos de titânio puro.

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

Há muitos exemplos da aplicação de ligas de titânio russas na engenharia espacial, como a utilização de uma grande forja e forja de liga de titânio BT23 de 3,5 toneladas no foguetão de carga Energia. Além disso, as ligas de titânio são também utilizadas nos tanques de combustível dos motores de foguetões de combustível líquido, nos tanques de armazenamento de líquidos a baixa temperatura e nos impulsores das bombas de hidrogénio líquido.

Do mesmo modo, no rápido desenvolvimento da engenharia espacial nacional, as ligas de titânio são amplamente utilizadas. Desde o satélite Dongfang 1, em 1970, até às actuais naves espaciais da série Shenzhou e às sondas lunares Chang'e, têm sido utilizadas ligas de titânio.

Além disso, o cilindro de gás de baixa temperatura em liga de titânio TA7ELI, desenvolvido pela China para utilização num ambiente de hidrogénio líquido, foi utilizado na série de veículos de lançamento Longa Marcha. O Instituto de Tecnologia de Harbin utilizou a liga de titânio TC4 para fabricar as jantes dos veículos lunares. Além disso, a China também utilizou o BT20 e outras ligas de titânio de alta resistência para fabricar os invólucros dos motores e as tubeiras dos mísseis.

3. Aplicações marítimas

O titânio e as suas ligas são amplamente utilizados em submarinos nucleares, submersíveis de grande profundidade, quebra-gelos atómicos, barcos hidrodinâmicos, hovercraft, caça-minas, bem como em hélices, antenas de chicote, condutas de água do mar, condensadores, permutadores de calor, dispositivos acústicos e equipamento de combate a incêndios. Por exemplo, os E.U.A.

O submersível profundo "Sea Cliff" está equipado com uma cabina de observação e uma cabina de controlo em titânio, capaz de mergulhar a profundidades até 6100 m. A Toho Titanium Company do Japão, em colaboração com a Fujin Shipbuilding, construiu a "Mori Support Heaven II", uma lancha rápida em titânio que registou um período de grandes vendas nos EUA. O primeiro submersível tripulado integrado e de conceção própria da China, o "Jiaolong", também utiliza ligas de titânio e cobre 99,8% das regiões oceânicas do mundo.

4. Questões actuais e perspectivas do titânio e das suas ligas

Apesar dos avanços significativos no desenvolvimento do titânio e das suas ligas, há desafios que persistem. Estes desafios dividem-se principalmente em três categorias:

1) Aspeto da produção

A China é um ator importante na indústria do titânio, mas a quantidade de produtos de alta qualidade que produz é baixa e há uma 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 de titânio extrudido. Esta limitação dificulta o desenvolvimento e a utilização do titânio e das suas ligas nos sectores aeroespacial e marítimo. O objetivo de aumentar ainda mais a utilização de titânio nos motores de aviação para cerca de 50% continua a ser um desafio considerável.

2) Aspeto do desempenho

O titânio é altamente ativo quimicamente, o que o torna suscetível à contaminação por outros elementos. Isto exige um elevado nível de precisão no processamento e fabrico de ligas de titânio.

Além disso, os produtos de elevado desempenho daí resultantes exigem uma avaliação exaustiva das suas propriedades mecânicas, físicas, químicas e tecnológicas. O declínio drástico da resistência à fluência e da resistência à oxidação a alta temperatura acima de 600°C são os dois maiores obstáculos à aplicação alargada das ligas de titânio existentes.

3) Aspeto dos custos

Atualmente, estão a ser desenvolvidos esforços a nível mundial para reduzir os custos de aplicação das ligas de titânio, tendo sido alcançados progressos consideráveis.

No entanto, em termos da situação atual da China, os níveis de gestão e tecnológicos do país ainda não atingiram um estado ideal. Os produtos de liga de titânio produzidos internamente não têm preços competitivos à escala internacional, o que prejudica a sua utilização mais alargada.

Atualmente, os principais campos de aplicação das ligas de titânio continuam a ser os sectores industriais aeroespacial e militar. No entanto, as perspectivas de desenvolvimento de novos campos de aplicação, tais como automóveis, comboios, comboios de alta velocidade e mesmo sectores civis quotidianos, são ainda vastas.

Além disso, a substituição de elementos de liga dispendiosos por outros mais baratos, bem como a redução do custo dos componentes de ligas de titânio através de meios tecnológicos, são temas importantes na investigação futura sobre ligas de titânio. Quando as aplicações topo de gama das ligas de titânio atingirem um fabrico de baixo custo, serão utilizadas em vários domínios.