Porque é que os sectores da aviação e dos telemóveis privilegiam as ligas de titânio? Este material de alta tecnologia, conhecido pela sua incrível relação força/peso e resistência ao calor e à corrosão, revoluciona o design dos aviões e dos smartphones. Na aviação, as ligas de titânio reduzem o peso e melhoram o desempenho em condições extremas. Entretanto, os fabricantes de telemóveis utilizam o titânio para aumentar a durabilidade e a elegância, tornando os aparelhos mais resistentes e atractivos. Continue a ler para descobrir os benefícios e as aplicações específicas das ligas de titânio nestas indústrias de ponta.
Em 1948, a empresa americana DuPont iniciou a produção em massa de titânio esponjoso utilizando o processo de magnésio, assinalando o início da produção industrializada de titânio.
As ligas de titânio, com a sua elevada resistência específica, excelente resistência à corrosão e resistência superior ao calor, são agora amplamente utilizadas em vários sectores.
As ligas de titânio têm sido utilizadas na indústria da aviação há mais de meio século; no sector da eletrónica de consumo, marcas como a Huawei, Apple, Xiaomi e Honor incorporaram este material em muitos dos seus modelos de smartphones, e espera-se que um número crescente de fabricantes de eletrónica adopte ligas de titânio. Mas o que torna titânio ligas tão universalmente favorecidas?
1. Elevada resistência específica:
1,3 vezes mais do que as ligas de alumínio, 1,6 vezes mais do que as ligas de magnésio e 3,5 vezes mais do que o aço inoxidável, tornando-o o campeão entre os materiais metálicos.
2. Elevada resistência térmica:
Pode funcionar a longo prazo a temperaturas várias centenas de graus superiores às das ligas de alumínio, especificamente entre 450-500°C.
3. Excelente resistência à corrosão:
Resiste bem aos ácidos, aos álcalis e à corrosão atmosférica e tem uma resistência particularmente forte à corrosão por pite e à corrosão sob tensão.
4. Bom desempenho a baixas temperaturas:
Certas ligas de titânio, como a TA7 de baixo teor intersticial, mantêm alguma plasticidade mesmo a -253°C.
5. Elevada reatividade química:
A altas temperaturas, o titânio é altamente reativo e combina-se facilmente com gases como o hidrogénio e o oxigénio do ar, criando uma camada endurecida.
6. Baixa condutividade térmica e módulo de elasticidade:
A 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% inferior à do titânio puro. O módulo de elasticidade das ligas de titânio é cerca de metade do do aço.
As ligas de titânio podem ser classificadas em: ligas resistentes ao calor, ligas de alta resistência, ligas resistentes à corrosão (como titânio-molibdénio, titânio-paládio), ligas de baixa temperatura e ligas para fins especiais (como materiais de armazenamento de hidrogénio de titânio-ferro, ligas com memória de forma de titânio-níquel).
Apesar da história relativamente curta da sua aplicação, as suas propriedades excepcionais valeram ao titânio e às suas ligas vários títulos de prestígio, o primeiro dos quais é "o metal do espaço".
O seu peso reduzido, a sua elevada resistência específica e a sua resistência a altas temperaturas tornam-no particularmente adequado para o fabrico de aviões e de diversos veículos espaciais.
Aproximadamente três quartos da produção mundial de titânio e das suas ligas são utilizados na indústria aeroespacial, com muitos componentes originalmente feitos de ligas de alumínio a serem agora substituídos por ligas de titânio.
As ligas de titânio são utilizadas principalmente no fabrico de componentes para aeronaves e motores, tais como pás de ventilador em titânio forjado, discos e pás de compressor, coberturas de motor, sistemas de escape e estruturas como divisórias de longarinas de aeronaves.
As naves espaciais tiram partido da elevada resistência específica, da resistência à corrosão e do desempenho a baixas temperaturas das ligas de titânio para fabricar vários recipientes sob pressão, depósitos de combustível, fixadores, correias de instrumentos, estruturas e invólucros de foguetões.
Os satélites artificiais, os módulos lunares, as naves espaciais tripuladas e os vaivéns espaciais também utilizam componentes soldados feitos de folhas de liga de titânio.
Em 1950, os Estados Unidos utilizaram pela primeira vez ligas de titânio no caça-bombardeiro F-84 para componentes que não suportam carga, tais como escudos térmicos para a fuselagem traseira, deflectores de vento e coberturas da cauda.
A partir da década de 1960, as aplicações de ligas de titânio passaram da parte traseira para a fuselagem central, substituindo parcialmente o aço estrutural para o fabrico de estruturas, vigas e trilhos de flap como componentes críticos de suporte de carga.
A partir da década de 1970, os aviões civis começaram a utilizar extensivamente ligas de titânio, com o avião a jato Boeing 747 a incorporar mais de 3.640 quilogramas de titânio, o que representa 28% do peso do avião.
Com o avanço das técnicas de processamento, uma quantidade considerável de liga de titânio foi também utilizada em foguetões, satélites e vaivéns espaciais. Quanto mais avançada for a aeronave, maior será a utilização de titânio.
O caça americano F-14A utiliza ligas de titânio que perfazem cerca de 25% do seu peso; o F-15A tem 25,8%; os caças de quarta geração utilizam até 41% de titânio, sendo que só o motor do F119 é responsável por 39% de utilização de titânio, o valor mais elevado de qualquer aeronave até à data.
Porque é que os aviões de transporte aéreo têm de utilizar ligas de titânio? Os aviões modernos podem atingir velocidades até 2,7 vezes superiores à velocidade do som. A velocidades supersónicas tão elevadas, a fricção com o ar gera uma quantidade significativa de calor.
Quando a velocidade de voo excede o dobro da velocidade do som, as ligas de alumínio já não conseguem suportar as condições, sendo necessário utilizar ligas de titânio resistentes a altas temperaturas.
Como a relação impulso/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 lâminas do compressor de baixa pressão, anteriormente feitos de alumínio, tiveram de ser substituídos por ligas de titânio.
Os recentes avanços no estudo das propriedades das ligas de titânio conduziram a progressos significativos.
As ligas de titânio tradicionais compostas por 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 que atingem até 1040°C.
A substituição do aço inoxidável por ligas de titânio no fabrico de discos e pás de compressores de alta pressão pode reduzir o peso estrutural. Uma redução de 10% no peso de uma aeronave pode resultar numa poupança de 4% em combustível. No caso dos foguetões, uma redução de 1kg no peso pode aumentar o alcance em 15km.
Na indústria eletrónica de consumo altamente competitiva, representada pelos telemóveis, os principais fabricantes estão interessados em utilizar ligas de titânio para melhorar a qualidade dos produtos.
Marcas como a Huawei, Apple, Xiaomi e Honor já incorporaram este material em vários produtos. A Apple equipou os seus relógios da série Ultra com caixas de titânio de série e o seu mais recente iPhone 15 inclui um modelo Pro com um corpo totalmente novo em titânio, marcando o primeiro telemóvel da Apple a adotar titânio de qualidade aeronáutica.
Em 2022, a Huawei utilizou uma liga de titânio nos componentes estruturais do seu telemóvel com ecrã dobrável, o MateXs2, e incorporou uma estrutura de titânio no Watch4Pro.
No dia 12 de outubro, a Honor lançou o seu novo smartphone dobrável, o Honor MagicVs2, com materiais inovadores como a dobradiça de titânio Luban. Na nova linha da Xiaomi, o modelo de preço mais elevado é a versão 14 Pro em titânio.
Segundo consta, a Samsung utilizará uma estrutura em liga de titânio para o seu próximo Galaxy S24 Ultra, semelhante ao esquema de cores original em titânio do iPhone 15 Pro.
De um modo geral, a combinação de propriedades de elevada resistência específica e leveza é uma das principais razões pelas quais as ligas de titânio são amplamente promovidas, permitindo que os produtos electrónicos de consumo sejam mais portáteis e ofereçam uma experiência de utilização mais confortável.
Em primeiro lugar, as ligas de titânio têm uma baixa condutividade térmica, apenas um quarto da do aço, um treze avos da do alumínio e um vinte e cinco avos da do cobre. A lenta dissipação de calor na área de corte não é propícia ao equilíbrio térmico.
Durante o processo de maquinagem, a má dissipação de calor e os efeitos de arrefecimento podem conduzir a temperaturas elevadas, deformações significativas e dorso da mola nas peças maquinadas, resultando num aumento do binário da ferramenta de corte e num desgaste rápido da ferramenta, o que reduz a sua durabilidade.
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. Isto aumenta o atrito na face de ataque, dificulta a evacuação das aparas e acelera o desgaste da ferramenta.
Por último, a elevada reatividade química das ligas de titânio significa que tendem a reagir com ferramentas materiais a altas temperaturas durante a maquinagem, levando à soldadura e à difusão, o que pode causar a aderência da ferramenta, a sua queima e mesmo a sua quebra.
Os centros de maquinagem podem processar várias peças em simultâneo, aumentando a eficiência da produção. Melhoram a precisão da maquinagem, garantindo uma boa consistência dos produtos.
Estes centros dispõem de compensação de ferramentas capacidades que podem atingir a precisão inerente da própria máquina. Com uma ampla adaptabilidade e uma flexibilidade considerável, os centros de maquinação são capazes de efetuar operações multifuncionais.
São possíveis tarefas como a maquinagem em arco, chanfragem e arredondamento de transições em peças. Permitem a fresagem, perfuração, alargamento e rosqueamento.
O cálculo preciso dos custos e o controlo do calendário de produção são também facilitados. A eliminação da necessidade de dispositivos de fixação especializados poupa custos substanciais e encurta o ciclo de produção, reduzindo significativamente a intensidade de trabalho dos operários. A maquinação multieixos com software como o UG também é possível.
O material da ferramenta deve ter uma dureza significativamente superior à das ligas de titânio.
Deve possuir resistência e dureza suficientes para suportar o grande binário e as forças de corte experimentadas durante a maquinagem de ligas de titânio.
A elevada resistência ao desgaste é fundamental porque as ligas de titânio são duras e requerem arestas de corte afiadas para minimizar o endurecimento por trabalho. Este é o parâmetro mais importante na seleção de ferramentas para maquinação de ligas de titânio.
O material da ferramenta deve ter pouca afinidade com as ligas de titânio para evitar a formação de ligas por dissolução e difusão, o que pode levar à colagem e queima da ferramenta. Os testes efectuados em materiais de ferramentas nacionais e estrangeiros mostram que as ferramentas com elevado teor de cobalto têm um desempenho ideal.
O cobalto aumenta o endurecimento secundário, melhora a dureza vermelha e a dureza após o tratamento térmico, ao mesmo tempo que oferece elevada tenacidade, resistência ao desgaste e boa dissipação de calor.
As características únicas de maquinação das ligas de titânio significam que os parâmetros geométricos das ferramentas diferem significativamente dos das ferramentas normais. É escolhido um ângulo de hélice β mais pequeno para facilitar a remoção de aparas e uma dissipação de calor mais rápida, o que também reduz a resistência ao corte durante a maquinagem.
O ângulo de inclinação positivo γ assegura uma aresta de corte afiada para um corte leve e rápido, evitando o calor de corte excessivo e o subsequente endurecimento do trabalho. Um ângulo de folga α mais pequeno abranda o desgaste da ferramenta e melhora a dissipação do calor e a durabilidade da ferramenta.
A maquinagem de ligas de titânio requer velocidades de corte mais baixas, taxas de avanço adequadamente grandes, profundidades de corte razoáveis e permissões de acabamento, com um arrefecimento amplo. A velocidade de corte vc=30-50m/min é a ideal, com taxas de avanço maiores para maquinação em desbaste e taxas de avanço moderadas para acabamento e semi-acabamento.
A profundidade de corte ap=1/3d é adequada; grandes profundidades podem causar colagem, queima ou quebra da ferramenta devido à boa afinidade e difícil remoção de cavacos das ligas de titânio.
É necessária uma margem de acabamento adequada, uma vez que o endurecimento de superfícies nas ligas de titânio é de cerca de 0,1-0,15 mm; uma tolerância demasiado pequena pode resultar em desgaste da ferramenta devido ao corte na camada endurecida, mas a tolerância não deve ser excessivamente grande para evitar este problema.
É preferível evitar líquidos de arrefecimento que contenham cloro quando se maquinam ligas de titânio para evitar substâncias tóxicas e fragilização por hidrogéniobem como para proteção contra a fissuração por corrosão sob tensão a alta temperatura.
As emulsões sintéticas solúveis em água são preferíveis, ou pode ser utilizada uma mistura de líquido de refrigeração personalizada. Durante as operações de corte, certifique-se de que o líquido de refrigeração é abundante, com circulação rápida, caudal e pressão elevados.
Os centros de maquinagem estão equipados com bocais de arrefecimento dedicados que, quando corretamente ajustados, podem alcançar o efeito desejado.
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.
PT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT_BR 
RU 
KO 
TR