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 batizou essa substância metálica desconhecida com o nome dos deuses gregos, os Titãs, que em inglês significa "Titanium".

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

O titânio, um elemento não tóxico universalmente reconhecido, é caro devido a seus altos 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, ele se tornou um material especializado para foguetes e satélites da NASA.

Ele 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, suas propriedades antibacterianas e biocompatíveis naturais o tornaram o "Rei de Honra" no setor de utensílios de mesa.

O setor de titânio da China começou na década de 1950. Em meados da década de 1960, a China havia estabelecido fábricas de processamento de titânio esponjoso e de titânio em Zunyi e Baoji, respectivamente, marcando a China como uma das potências globais no setor de titânio.

No século XXI, o setor de titânio da China entrou em um novo período de desenvolvimento acelerado, com 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, ele é classificado de acordo com o teor de elementos de impureza. Tem excelente processabilidade de estampagem e soldabilidadeO aço inoxidável, que é insensível ao tratamento térmico e aos tipos de organização, tem certa resistência em condições satisfatórias de plasticidade. Sua resistência depende principalmente do conteúdo dos elementos de lacuna oxigênio e nitrogênio.

As propriedades do titânio industrial puro 99,5% são: densidade P=4,5g/cm³O ponto de fusão é 1800°C, condutividade térmica λ=15,24W/(M.K), resistência à tração σ b=539MPa, alongamento: δ =25%, taxa de encolhimento da seção 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 novo, com uma história de apenas sessenta a setenta anos desde sua descoberta até hoje. Os materiais de liga de titânio têm características como leveza, 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 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, ele apresenta uma estrutura cristalina hexagonal densa, chamada de α-titânio; acima de 882°C, ele apresenta uma estrutura de rede cúbica centrada no corpo, chamada de 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 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 resistência da liga à temperatura ambiente e a altas temperaturas, 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. O primeiro inclui molibdênio, nióbio, vanádio etc.; o segundo inclui cromo, manganês, cobre, silício etc.

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

Tabela de composição química e marca de titânio e liga de titânio

Graus mais comumente usados:

TA1 (Padrão americano: Gr1)

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

TA2 (Padrão americano: Gr2) Grau

Devido à sua ampla e diversificada disponibilidade, o titânio grau TA2 é conhecido como o "cavalo de batalha" do setor comercial de titânio puro. Ele compartilha muitas qualidades com a liga de titânio grau TA1, mas é um pouco mais forte. Ambas são igualmente resistentes à corrosão.

Essa classe tem boa soldabilidade, resistência, ductilidade e conformabilidade. Isso faz com que as hastes e placas de titânio de grau TA2 sejam a melhor opção para muitas aplicações na construção, geração de energia e no setor médico.

TA3 (Padrão americano: Gr3) Grau

Essa classe é a menos usada entre as classes comerciais de titânio puro, mas isso não diminui seu valor. O grau TA3 é mais forte do que os graus TA1 e TA2, com ductilidade semelhante, mas com conformabilidade um pouco menor. Mas tem propriedades mecânicas superiores às de seus antecessores.

A classe TA3 é usada em aplicações que exigem força moderada e resistência primária à corrosão, como no setor aeroespacial, no processamento químico e no setor marítimo.

TA4 (Padrão americano: Gr4) Grau

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.

TA9 (Padrão americano: Gr7) Grau

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

De fato, é o mais resistente à corrosão em ácidos redutores. A classe TA9 é usada para componentes de equipamentos de produção e processos químicos. O TA9 tem resistência à corrosão extremamente forte, especialmente em ambientes ácidos redutores.

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. Essa resistência à corrosão pode ser usada para evitar a corrosão em frestas e reduzir o ácido em ambientes com cloreto.

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

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

Muitas vezes chamado de "esteio" das ligas de titânio, o Ti 6Al-4V ou titânio de grau 5 é a liga de titânio mais comumente usada. Ele 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, boa conformabilidade e alta resistência à corrosão, além de ser leve. A versatilidade do Ti 6Al-4V faz dele a liga ideal para vários setores, como o aeroespacial, médico, marítimo e de processamento químico. Ela pode ser usada 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

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

A classe Ti 6AL-4V ELI ou TC4ELI é uma forma mais pura de Ti 6Al-4V. Ele pode ser transformado em bobinas, fios trançados, fios elétricos ou fios planos. É a melhor opção para qualquer situação que exija alta resistência, leveza, boa resistência à corrosão e alta tenacidade. Tem 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 fadigaPor ser um material de alta qualidade e baixo módulo, ele pode ser usado em 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 de articulações
• Vasos criogênicos
• Dispositivos de fixação óssea

TA10 (padrão americano Gr12) Grau

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

Essa liga pode ser conformada a quente ou a frio por meio de moldagem por prensagem, hidroformação, conformação por estiramento ou martelamento. Sua capacidade de ser conformada de várias maneiras a torna útil em muitas aplicações. A alta resistência à corrosão dessa 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 nos seguintes setores e aplicações:

• Conchas e trocadores de calor
• Aplicações hidrometalúrgicas
• Fabricação de produtos químicos de 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 em altas temperaturas, alta resistência, boa resistência à corrosão e boa resistência à fluência. A fluência refere-se ao fenômeno da 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 fuselagens, bem como em aplicações de baixa temperatura.

Por fim, anexamos uma comparação entre os graus de titânio antigos e novos e suas composições químicas de acordo com as normas estrangeiras e nacionais.

3. Aplicações do titânio e das ligas de titânio

Embora o titânio e os materiais de liga de titânio sejam abundantes, seus preços são muito altos. Isso ocorre porque o titânio tem baixa atividade química em altas temperaturas, o que torna 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°C.

Isso o torna muito mais desafiador do que a fundição de aço. Portanto, sempre que as pessoas mencionam ligas de titânio, elas o consideram um material metálico de alta qualidade com baixa produção e preços altos e, por isso, raramente é usado.

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 na fabricação de armas de última geração e de importantes instrumentos nacionais, especialmente na indústria aeroespacial. Veja a seguir alguns exemplos de suas aplicações no setor químico:

1. Indústria de produção de álcalis

A introdução de resfriadores de titânio no setor de produção de álcalis resolveu com eficácia o problema do gás cloro abaixo do padrão produzido devido ao processo de resfriamento tradicional não razoável. Isso também mudou a cara do setor de cloro e álcalis, pois 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 usada atualmente é a produção de sal a vácuo. A salmoura concentrada e de alta temperatura produzida durante esse processo pode causar sérios danos às estruturas de aço carbono, provocando vazamentos nos equipamentos.

A implementação de uma estrutura composta de aço-titânio nas câmaras de aquecimento e evaporação pode evitar com eficácia 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, ampliando assim o ciclo de manutenção.

Indústria aeroespacial

1. Setor de 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 das estruturas de ligas de titânio em aeronaves incluem componentes do trem de pouso, estruturas, vigas, revestimentos da fuselagem e escudos térmicos. A aeronave Il-76 da Rússia usa a liga de titânio BT22 de alta resistência para fabricar componentes importantes, como o trem de pouso e as vigas de suporte de carga.

A viga transversal do trem de pouso principal do Boeing 747 é feita de material Ti-6Al-4V, com uma peça forjada medindo 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 do estabilizador horizontal do avião C-17.

Em termos de motores de aeronaves, as ligas de titânio são usadas em discos de compressores, lâminas, tambores, rotores de compressores de alta pressão e carcaças de compressores. A borda principal 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 naves espaciais são extremamente severas. 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 da asa da cabine fechada e as nervuras eram todas feitas de Ti-5Al-2.5Sn, com revestimentos feitos de titânio puro.

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

Há muitos exemplos da aplicação de ligas de titânio russas na engenharia espacial, como o uso de um grande forjamento e forjamento de liga de titânio BT23 de 3,5 toneladas no foguete de carga Energia. Além disso, as ligas de titânio também são usadas nos tanques de combustível dos motores de foguete 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 espaçonave da série Shenzhou e as 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 fabricar os aros das rodas dos rovers lunares. Além disso, a China também usou o BT20 e outras ligas de titânio de alta resistência para fabricar as carcaças dos motores e os bicos dos mísseis.

3. Aplicativos marítimos

O titânio e suas ligas são amplamente utilizados em submarinos nucleares, submersíveis profundos, quebra-gelos atômicos, barcos hidrofólio, hovercraft, caça-minas, bem como em hélices, antenas de 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" é equipado com uma cabine de observação e uma cabine de controle de titânio, capaz de mergulhar a profundidades de até 6.100 m. A Toho Titanium Company do Japão, em colaboração com a Fujin Shipbuilding, construiu a "Mori Support Heaven II", uma lancha de titânio que teve um período de grandes vendas nos EUA. O primeiro submersível tripulado integrado e autodesenhado da China, o "Jiaolong", também emprega ligas de titânio e cobre 99,8% das regiões oceânicas do mundo.

4. Problemas existentes e perspectivas do titânio e suas ligas

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

1) Aspecto da produção

A China é um importante participante do setor de 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 a capacidade de produzir em massa tiras de titânio e perfis de titânio extrudado. Essa limitação dificulta o desenvolvimento e a utilização do titânio e de suas ligas nos campos aeroespacial e marítimo. A meta de aumentar ainda mais o uso de titânio em motores de aviação para cerca de 50% ainda é um desafio considerável.

2) Aspecto de desempenho

O titânio é altamente ativo quimicamente, o que o torna suscetível à contaminação por outros elementos. Isso exige um alto nível de precisão no processamento e na 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 alta temperatura acima de 600°C são os dois principais obstáculos para a aplicação ampliada das ligas de titânio existentes.

3) Aspecto do custo

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

No entanto, em termos da situação atual da China, os níveis gerenciais e tecnológicos do país ainda não atingiram o estado ideal. Seus produtos de liga de titânio produzidos internamente não têm preços competitivos em escala internacional, o que prejudica seu uso mais amplo.

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

Além disso, a substituição de elementos de liga caros por outros mais baratos, bem como a redução do custo dos componentes de liga de titânio por meios tecnológicos, são assuntos importantes em pesquisas futuras sobre ligas de titânio. Quando as aplicações de ponta das ligas de titânio atingirem uma fabricação de baixo custo, elas serão utilizadas em vários campos.