Titânio e suas ligas

O titânio e suas ligas vêm se destacando comercial e industrialmente devido a suas excelentes propriedades, tais como elevada razão resistência mecânica/peso, manutenção de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas e excepcional resistência à corrosão. As principais aplicações destas ligas são nas indústrias aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de equipamentos industriais avançados utilizados para a geração de energia e transporte.

O titânio possui duas estruturas cristalinas, isto é, o material apresenta alotropia. Uma das fases, denominada fase α, apresenta estrutura hexagonal compacta e é estável à temperatura ambiente, enquanto a segunda fase, conhecida por fase β, é cúbica de corpo centrado e é estável em temperaturas superiores a 882°C.

Estruturas_Cristalinas_Ti

Células unitárias das formas alotrópicas do titânio.

Assim como ocorre para os aços, alguns elementos de liga podem ser adicionados ao material metálico com o intuito de favorecer a formação de uma das fases. No caso do titânio, os elementos alumínio, gálio e estanho têm caráter alfagênio, isto é, favorecem a estabilidade da fase α.  Já o vanádio, nióbio e tálio são betagênios, atuando na redução da temperatura de transformação alotrópica, o que favorece a formação de fase β em temperaturas mais baixas do que 882°C. Desse modo, a adição de elementos de liga ao titânio e a realização de tratamentos térmicos nestas ligas permite a obtenção de diversas microestruturas e propriedades, permitindo a obtenção de três classes de ligas de titânio: α, β e α+β.  Normalmente deseja-se a fase α quando se necessita de resistência à fluência e a fase β para aplicações em que são necessárias boa resistência mecânica e à fadiga. Já a liga α+β, mais popular dentre as ligas de titânio, combina as melhores características de ambas as fases. A figura abaixo nos mostra algumas ligas comerciais de titânio, bem como uma comparação entre algumas de suas propriedades.

Ligas_Ti

Influência do percentual das fases α e β nas propriedades de ligas de Ti. Fonte: FROES, 2015.

As ligas de titânio são difíceis de produzir, o que as torna caras. A fusão deste material, por exemplo, deve ser feita em um recipiente especial para evitar contaminação, já que o material torna-se tão reativo quando aquecido em altas temperaturas que sofre contaminação por praticamente todos os materiais com os quais tem contato. Uma opção, portanto, é utilizar um cadinho de cobre resfriado por água, onde o titânio em contato com o cobre solidifica e o restante permanece fundido, protegido de contaminação. Outra dificuldade que pode ser mencionada é no processo de usinagem destes materiais. Além de possuírem um baixo módulo de elasticidade, o titânio e suas ligas têm baixa condutividade térmica, assim tendem a provocar um aumento significativo da temperatura na interface com a ferramenta durante a usinagem, aumentando o desgaste da mesma. Além disso, a elevada reatividade química mencionada anteriormente faz com que reajam com quase todos os materiais utilizados como ferramentas.

Ainda assim, apesar do preço e das dificuldades envolvidas em trabalhar com titânio, o metal é considerado bastante viável para algumas aplicações, como aquelas que mencionamos no começo deste post. Por quê? O que o torna especial?

A resposta é simples.. além de uma elevada resistência à corrosão, suas ligas apresentam uma combinação importantíssima de propriedades: resistência mecânica e baixa densidade. Ainda que não seja tão leve quanto o alumínio ou tão resistente quanto os aços, o titânio ganha destes dois materiais quando trata-se de relação resistência mecânica/peso, como podemos ver na figura.

Resistência-densidade

Comparativo entre propriedades mecânicas de ligas de titânio, liga de alumínio, aços inoxidáveis e titânio puro. Fonte: FROES, 2015.

Reparem que no gráfico do lado esquerdo, as ligas de titânio mostram-se inferiores aos aços inoxidáveis em termos de propriedade mecânica, mas superiores ao alumínio.  No entanto, ao dividirmos a resistência à tração do material por sua densidade, as ligas de titânio passam a ser superiores aos aços inoxidáveis e alumínio, apresentando a melhor relação resistência/peso, ou resistência específica. O titânio puro, por sua vez, não apresenta resistência considerável em nenhuma das análises, o que ressalta a importância de sempre continuar aprendendo e pesquisando sobre elementos de liga, fundamentais para a fabricação de qualquer componente metálico de elevado desempenho.

Referências:

FROES, F.H. – Titanium: physical metallurgy, processing, and applications-ASM International (2015)

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