Você já se perguntou qual é o segredo por trás da resistência e da durabilidade das ligas de titânio? Neste artigo, vamos nos aprofundar no fascinante mundo das técnicas de tratamento térmico que transformam essas ligas em materiais de alto desempenho. Nossa equipe de especialistas o guiará pelos princípios, processos e efeitos de vários métodos de tratamento térmico, fornecendo informações valiosas tanto para engenheiros quanto para entusiastas. Prepare-se para descobrir a ciência por trás das propriedades extraordinárias das ligas de titânio!
(1) A transformação da fase martensítica não causa mudanças significativas nas propriedades das ligas de titânio. Essa característica é diferente da transformação da fase martensítica do aço. O fortalecimento do tratamento térmico das ligas de titânio depende da decomposição por envelhecimento da fase subestável formada pela têmpera, incluindo a fase martensítica. Tratamento térmico para o tipo A puro titânio é basicamente ineficaz; ele é usado principalmente para ligas de titânio do tipo α+β.
(2) O tratamento térmico deve evitar a formação da fase ω, pois ela torna as ligas de titânio frágeis. A escolha correta do processo de envelhecimento pode fazer com que a fase ω se decomponha, como o uso de uma temperatura de envelhecimento mais alta.
(3) É difícil refinar os grãos de liga de titânio usando transformações de fase repetidas, ao contrário dos materiais de aço. A transformação de fase repetida de austenita e a perlita (ou ferrita, cementita) podem controlar a nucleação e o crescimento de novas fases para obter o refinamento dos grãos na maioria dos aços. Esse fenômeno não existe nas ligas de titânio.
(4) A baixa condutividade térmica pode levar à 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 empenar 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 oxigênio e o vapor de água durante o tratamento térmico. Isso forma uma camada rica em oxigênio ou incrustação na superfície da peça de trabalho, reduzindo o desempenho da liga. Ao mesmo tempo, as ligas de titânio tendem a absorver hidrogênio durante o tratamento térmico, causando fragilização por hidrogênio.
(6) O ponto de transição β varia significativamente, mesmo que seja a mesma composição, devido a diferentes fornos de fundição.
(7) Durante o aquecimento na região da fase β, os grãos β tendem a aumentar. O engrossamento dos grãos β pode fazer com que a plasticidade da liga caia drasticamente, portanto, 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 usar o tratamento térmico adequado, além de uma liga razoável.
Há 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 seu principal objetivo é eliminar o estresse, melhorar a plasticidade da liga e estabilizar a estrutura.
As formas de recozimento incluem recozimento de alívio de tensão, recozimento de recristalização e recozimento duplo, recozimento isotérmicorecozimento a vácuo, entre outros.
A Figura 1 mostra a faixa de temperatura de recozimento da liga de titânio usando vários métodos.
Figura 1 Diagrama esquemático da faixa de temperatura de recozimento de vários métodos na liga de titânio
(1) Recozimento para alívio de tensão.
O recozimento com alívio de tensão pode ser usado para eliminar estresse interno gerados durante a fundição, a deformação a frio e a soldagem.
A temperatura para o recozimento de alívio de tensão deve ser menor do que a temperatura de recristalização, normalmente entre 450-650 ℃.
O tempo necessário depende do tamanho da seção transversal da peça de trabalho, do histórico de processamento e do grau de alívio de tensão necessário.
(2) Recozimento comum.
O objetivo do recozimento comum é eliminar as tensões básicas no produto semiacabado 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. Esse processo de recozimento é geralmente usado em produtos metalúrgicos de fábrica e também pode ser chamado de recozimento de fábrica.
(3) Recozimento completo.
O objetivo do recozimento completo é eliminar completamente o endurecimento do processo, estabilizar a organização e melhorar a plasticidade. Esse processo ocorre principalmente por meio da recristalização e também é conhecido como recozimento por recristalização.
A temperatura de recozimento está preferencialmente entre a temperatura de recristalização e a temperatura de transição de fase. Se a temperatura exceder a temperatura de transição de fase, haverá a formação da estrutura Widmanstatten, e as propriedades da liga se deteriorarão.
O tipo de recozimento, a temperatura e os métodos de resfriamento são diferentes para vários tipos de ligas de titânio.
(4) Recozimento duplo.
O recozimento duplo pode ser usado para melhorar a plasticidade da liga, a resistência à fratura e a estabilidade da organização. Após o recozimento, a organização da liga fica mais uniforme e próxima do estado de equilíbrio.
Esse tipo de recozimento é frequentemente usado para garantir a estabilidade da estrutura e o desempenho de ligas de titânio resistentes ao calor sob alta temperatura e estresse de longo prazo.
O recozimento duplo envolve o aquecimento e o resfriamento a ar da liga duas vezes. A temperatura de aquecimento do primeiro recozimento de alta temperatura é maior ou próxima à temperatura final da recristalização, de modo que a recristalização possa prosseguir totalmente sem crescimento significativo de grãos de cristal, e a fração de volume da fase ap seja controlada.
A estrutura não é estável o suficiente após o resfriamento a ar, e é necessário um segundo recozimento em baixa temperatura. A temperatura de recozimento é menor do que a temperatura de recristalização, e a temperatura é mantida por um longo período para decompor totalmente a fase β metaestável obtida pelo recozimento de 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 alto 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°C) para isolamento e, em seguida, resfriada ao ar até a temperatura ambiente.
O envelhecimento por resfriamento é a principal maneira de fortalecer o tratamento térmico da liga de titânio, usando a mudança de fase para produzir um efeito de fortalecimento, que também é conhecido como fortalecimento do tratamento térmico.
O efeito de fortalecimento do tratamento térmico da liga de titânio é determinado pela natureza do tratamento térmico. elemento de ligaconcentração e especificações de tratamento térmico.
Esses fatores afetam 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 à composição da liga, às especificações do processo de tratamento térmico e à estrutura original.
Para ligas com uma determinada composição, o efeito do fortalecimento por envelhecimento depende do processo de tratamento térmico selecionado.
Quanto mais alta for a temperatura de resfriamento, mais óbvio será o efeito de fortalecimento do envelhecimento, mas o resfriamento acima da temperatura de transformação β causará fragilidade devido a grãos excessivamente grossos.
Para ligas de titânio bifásicas com menor concentração, a têmpera em temperatura mais alta pode ser usada para obter mais martensita.
As ligas de titânio bifásicas com uma concentração mais alta devem ser resfriadas em uma temperatura mais baixa para obter uma fase β mais metaestável, de modo que o efeito máximo de fortalecimento do envelhecimento possa ser obtido.
O método de resfriamento é geralmente resfriado a água ou a óleo, e o processo de resfriamento deve ser rápida para evitar a decomposição da fase β durante o processo de transferência e reduzir o efeito de fortalecimento 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°C, 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 de processamento de pressão (forjamento, laminação etc.) e tecnologia de tratamento térmico, que permite o fortalecimento por deformação e o fortalecimento por tratamento térmico para obter uma organização e um desempenho abrangente que não podem ser obtidos com um único método de fortalecimento.
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, ele pode ser dividido em:
Figura 2 Representação esquemática do processo de tratamento térmico de deformação na liga de titânio.
(a) Tratamento térmico de deformação em alta temperatura;
(b) Tratamento térmico de deformação em baixa temperatura
(1) Tratamento termomecânico de alta temperatura
Envolve aquecimento acima da temperatura de recristalização, deformação de 40% a 85%, resfriamento rápido e, em seguida, tratamento térmico de envelhecimento convencional.
(2) Tratamento termomecânico de baixa temperatura
A deformação é feita cerca de 50% abaixo da temperatura de recristalização, seguida de tratamento de envelhecimento convencional.
(3) Tratamento termomecânico composto
É um processo que combina tratamento termomecânico de alta temperatura e tratamento termomecânico de baixa temperatura.
As ligas de titânio têm um alto coeficiente de atrito e baixa resistência ao desgaste (geralmente cerca de 40% menor do que o aço), o que as torna propensas a aderir às superfícies de contato e causar corrosão por atrito.
As ligas de titânio são mais resistentes à corrosão em meios oxidantes, mas menos resistentes à corrosão em meios redutores (como ácido clorídrico, ácido sulfúrico etc.).
Para melhorar essas propriedades, a galvanoplastia, a pulverização e o tratamento térmico químico (como nitretaçãooxigenação, etc.) podem ser usados.
A dureza da camada nitretada após a nitretação é de 2 a 4 vezes maior do que a da camada superficial sem nitretação, melhorando significativamente a resistência ao desgaste da liga, além de melhorar a resistência à corrosão da liga em meios redutores.
A infiltração de oxigênio pode aumentar a resistência à corrosão da liga em 7 a 9 vezes, mas a plasticidade e a resistência à fadiga da liga serão perdidos em diferentes graus.
Características da microestrutura da liga de titânio
Nas ligas de titânio, especialmente nas ligas de titânio duplex α+β, é possível observar uma grande variedade de estruturas.
Essas 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 muito da proporção, da morfologia, do tamanho e da distribuição dessas duas fases.
Os tipos estruturais das ligas de titânio podem ser divididos basicamente em quatro categorias: Estrutura Widmanstatten (estrutura lamelar), estrutura basketweave, estrutura bimodal e estrutura isométrica.
A Figura 3 mostra as características morfológicas típicas dos vários tipos de ligas de titânio.
A Tabela 1 apresenta os índices de desempenho da liga de titânio TC4 em quatro estados estruturais típicos, o que mostra que o desempenho de diferentes estruturas varia muito.
Tabela 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 de 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 forma de cesta; (c) tecido bimodal; (d) tecido isométrico
Ltecido amelar
Caracteriza-se 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 umas às outras e têm a mesma orientação, conforme mostrado na Figura 3(a).
Esse tipo de microestrutura é a estrutura formada quando a liga não é deformada ou é deformada após o aquecimento na região da fase beta, e é resfriada lentamente a partir da região da fase beta. Quando a liga tem essa estrutura, a resistência à fratura, a durabilidade e a resistência à fluência são boas, mas a plasticidade, a resistência à fadiga, a sensibilidade ao entalhe, a estabilidade térmica e a resistência à corrosão por estresse térmico são muito ruins. Essas propriedades variam de acordo com o tamanho do "feixe" de α e a espessura do limite de grão α. O "feixe" de α fica menor, o limite de grão α fica mais fino e o desempenho geral é aprimorado.
Btecido de asketweave
Sua característica é que o contorno de grão β original é destruído durante o processo de deformação, e nenhuma ou apenas uma pequena quantidade de contorno de grão granular disperso α aparece, e as fatias α no grão β original tornam-se mais curtas.
O tamanho do "pacote" α é pequeno, e os grupos são organizados de forma escalonada, como uma cesta de tecido, conforme mostrado na Figura 3(b).
Esse tipo de microestrutura geralmente é formado quando a liga é aquecida ou começa a se deformar na região da fase β ou quando a quantidade de deformação na região da fase dupla (α+β) não é grande o suficiente.
A estrutura da cesta de malha fina não só tem melhor plasticidade, resistência ao impacto, resistência à fratura e resistência à fadiga de alto ciclo, mas também tem melhor resistência térmica.
Bimodal tecido
Sua característica é que o α primário não conectado é distribuído na matriz do tecido de transformação p, mas o conteúdo total não excede 50%, conforme mostrado na Figura 3(c).
Quando a temperatura de aquecimento da deformação térmica ou do tratamento térmico da liga de titânio é menor que a temperatura de transformação β, geralmente é possível obter uma estrutura de estado duplo.
A estrutura bimodal refere-se à fase α na organização com 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 também é chamada de fase α secundária ou fase α secundária.
Essa estrutura é formada quando a liga está em uma temperatura mais alta e com maior deformação na zona de fase dupla (α+β).
Itecido sométrico
Sua característica 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%, conforme mostrado 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, geralmente é possível obter uma estrutura equiaxial.
Em comparação com outras estruturas, essa estrutura tem melhor plasticidade, resistência à fadiga e estabilidade térmica, mas sua resistência à fratura, durabilidade e resistência à fluência são piores.
Como essa estrutura tem melhor desempenho geral, atualmente é a mais usada.
Efeito do processo de tratamento térmico na evolução da microestrutura da liga de titânio
O processo de tratamento térmico para ligas de titânio é mostrado na Figura 4.
Os principais parâmetros que são controlados durante o processo são a temperatura da solução sólida, o tempo da solução sólida, o método de resfriamento (incluindo resfriamento com água(resfriamento a óleo e resfriamento a ar), resfriamento 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.
É possível observar que, à medida que a temperatura da solução sólida aumenta, a fração de volume da fase αp diminui.
Quando a temperatura da solução sólida é maior que 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 se dobram e se curvam, conforme mostrado pela seta na Figura 5(c).
Quando um tratamento de solução é aplicado em 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, conforme mostrado na Figura 5(d).
Pode-se observar que a temperatura da solução tem um efeito significativo na microestrutura da liga TC21.
Quando a região de fase dupla (α+β) é tratada com solução sólida, o tamanho, a morfologia e a distribuição da fase αp afetarão diretamente o tamanho dos grãos de cristal β.
A fase αp e o tamanho de grão β da liga de titânio desempenham um papel fundamental 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, de modo que seja possível obter um tamanho de grão relativamente adequado e uma estrutura de estado duplo composta de 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 o tratamento com solução e resfriamento ao ar por 4 horas.
Nas Figuras 6, 5(a) e 5(b), pode-se observar que a fração de volume 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 resfriamento na microestrutura da liga TC21
A Figura 7 mostra o efeito dos métodos de resfriamento na microestrutura da liga TC21.
É possível observar que o método de resfriamento tem um efeito significativo na microestrutura da liga TC21 após o tratamento com solução.
Nas condições WQ e OQ, devido à taxa de resfriamento mais rápida, apenas β metaestável é formado, mas nenhum βT é formado.
Sob condições de CA, uma certa quantidade de βT é formada.
O tamanho da fase αp obtido nas condições WQ e OQ é ligeiramente menor do que o obtido nas condições AC.
Essa diferença se deve à taxa de resfriamento lento da CA, permitindo que a fase αp na liga cresça totalmente durante o processo de resfriamento (fazendo com que o conteúdo da fase αp na liga aumente e agregue o crescimento sob condições de CA).
No processo de resfriamento mais lento, a fase β em alta temperatura também pode ser totalmente transformada para formar βT.
Figura 7 O efeito do método de resfriamento 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.
Fica 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 se funde.
A fase α secundária aumenta gradualmente com o aumento da temperatura de envelhecimento.
Conforme ilustrado na Figura 8 (a), (b) e (c), no envelhecimento a 500 °C, devido à baixa temperatura de envelhecimento, o β subestável obtido do tratamento de solução sólida não tem a força motriz para a decomposição durante o processo de envelhecimento e, portanto, menos fases secundárias são formadas.
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 períodos.
Pode-se observar na Figura 9 que, com o aumento da duração do envelhecimento, a fração de volume da fase βT aumenta, enquanto o tamanho da fase αp não muda significativamente, mas ocorrem fenômenos de aglomeração e crescimento.
As fases α secundárias maiores em forma de faixa também parecem se fundir 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
Com o controle das condições do processo de tratamento térmico da liga TC12 e da liga Ti60, são obtidos dois tipos principais de microestrutura lamelar e microestrutura bimodal, conforme mostrado 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 selecionando a temperatura da solução sólida acima e abaixo de Tb (1010 °C), respectivamente.
A espessura da lamela no tecido LM é de 2 a 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) mostra a microestrutura da liga Ti600 com estrutura BM após 100 horas de exposição térmica (TE) a 600°C.
As diferenças entre os tecidos BM e BM+TE não podem ser distinguidas apenas dos tecidos microscópicos mostrados na Figura 10(e) e (f).
A fase αp rica em Al em ligas de titânio de alta temperatura é propensa a precipitar a fase α2 (Ti3Al) durante o envelhecimento de longo prazo ou a exposição térmica.
Por microscopia eletrônica de transmissão, a fase α2 foi encontrada na fase αp da liga Ti600 do tecido BM após a exposição térmica, conforme mostrado na Figura 11.
Figura 11 Morfologia TEM e padrão de difração de elétrons de área selecionada da fase α2 na liga Ti600 após exposição térmica
(a) Topografia TEM; (b) padrão de difração de elétrons de área selecionada
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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