As ligas de titânio são ligas que contêm uma mistura de titânio e outros elementos químicos. Essas ligas têm resistência à tração e tenacidade muito altas (mesmo em temperaturas extremas). Elas são leves, têm extraordinária resistência à corrosão e a capacidade de suportar temperaturas extremas. No entanto, o alto custo de processamento limita seu uso a aplicações militares, aeronaves, naves espaciais, bicicletas, dispositivos médicos, joias, componentes altamente tensionados, como bielas de carros esportivos e equipamentos esportivos e eletrônicos de consumo.

Transformação alotrópica miniaturadaimagem|Peça de turbina em liga de titânio exibida no Berlin International Airshow 2012|284x284px O Titânio é um metal de transição que possui uma transformação alotrópica em torno de 883 °C. Abaixo desta temperatura sua estrutura cristalina é da forma hexagonal compacta, sendo denominada fase α. A fase β possui uma estrutura cúbica de corpo centrado, sendo formada em temperaturas acima de 883 °C e permanecendo estável até a fusão do metal. Como o titânio apresenta a camada de valência incompleta, o elemento pode formar soluções sólidas com uma variedade de elementos de liga, desde que possuam uma diferença de tamanho de até 20%. Os elementos de liga do titânio são classificados de acordo com a modificação que produzem na temperatura de transformação alotrópica.

Os elementos que aumentam a temperatura de transformação alotrópica são denominados de α-estabilizadores. Pertencem a este grupo os elementos Alumínio, Gálio e Germano, além dos intersticiais Carbono, Oxigênio e Nitrogênio. Os β-estabilizadores são elementos que diminuem a temperatura de transformação alotrópica do titânio, eles podem ser divididos em β-isomorfos ou β-eutetóides de acordo com a formação ou não de um composto intermetálico. Os elementos β-isomorfos constituem o Molibdênio, Vanádio, Tântalo e Nióbio, enquanto os β-eutetóides são o Ferro, Manganês, Cromo, Cobalto, Niquel, Cobre e Hidrogênio. Os metais Zircônio, Hafnio, Silício e Estanho não provocam grandes alterações na temperatura alotrópica, sendo classificados como elementos neutros.LÜTJERING, G.; WILLIAMS, J. C. Titanium – Engineering Materials and Processes, Springer, New York, 2003.

Classificação das ligas de titânio

As ligas de titânio são classificadas de acordo com as fases presentes em sua microestrutura. As ligas podem ser classificadas em α, quase-α, α+β, quase-β e β.

A determinação do tipo de liga de titânio pode ser realizada a partir das concentrações de Alumínio e Molibdênio equivalente no material. É uma forma de agrupar as ligas de acordo com a quantidade de elementos α e β estabilizadores. O alumínio e molibdênio equivalente são definidos por:

[Al]eq = [Al] + 1/6[Zr] + 1/3[Sn] + 10[O]

[Mo]eq = [Mo] + 1/5[Ta] + 1/3,6[Nb] + 1/2,5[W] + 1/1,5[V] + 1,25[Cr] + 1,25[Ni] + 1,7[Mn] + 1,7[Co] + 2,5[Fe]

Onde [x] indica a concentração em peso do elemento correspondente.

A ASTM (American Society for Testing and Materials) define uma classificação padrão para o titânio puro e algumas ligas vendidas comercialmente. Os graus de 1 a 4 definem o titânio comercialmente puro, com baixo níveis de elementos substitucionais e de Oxigênio intersticial, enquanto os demais definem algumas ligas com grande aplicação industrial.DONACHIE, M. J. Titanium – a technical guide. ASM International: Ohio. 1988.

Titânio comercialmente puro (cp) O Ti cp faz parte da classe de ligas α e constitui os quatro graus definidos pela ASTM. O Ti cp grau 1 possui as menores concentrações de oxigênio intersticial e Ferro residual. O oxigênio atua como um agente endurecedor e mantém a microestrutura na fase α, enquanto o ferro é um refinador dos grãos da fase β e diminui o endurecimento do material. O Ti cp grau 1 possui a menor resistência mecânica, porém apresenta alta ductilidade e facilidade para trabalho a frio. O Ticp grau 2 é amplamente utilizado pela indústria em virtude de suas propriedades equilibradas de resistência mecânica e ductilidade. O Ti cp grau 2 possui resistência mecânica semelhante ao Aço inoxidável comum, além de ser facilmente trabalhado a frio. O Ticp grau 3 possui resistência mecânica um pouco maior que o grau 2, em razão da maior concentração de oxigênio e Nitrogênio intersticial, porém sua ductilidade está abaixo dos demais. O Ti cp grau 4 apresenta a maior resistência mecânica do grupo do titânio puro, sua utilização ocorre principalmente pelas indústrias aeronáutica e aeroespacial.

Tabela 1 - Graus ASTM para ligas de titânio comercial.ASM HANDBOOK.Properties and selection: nonferrous alloys special-purpose materials. v. 2, ASM International: EUA. 2005.

Liga Composição (%p.) Grau 1 a 4 Ticp Grau 5 Ti-6Al-4V Grau 6 Ti-5Al-2,5Sn Grau 7 e 11 Ti-(0,12-0,25)Pd Grau 9 Ti-3Al-2,5V Grau 12 Ti-0,3Mo-0,8Ni Grau 13, 14 e 15 Ti-0,5Ni-0,05Ru Grau 16 e 17 Ti-(0,04-0,08)Pd Grau 18 Ti-3Al-2,5V-(0,04-0,08)Pd Grau 19 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo Grau 20 Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-(0,04-0,08)Pd Grau 21 Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,25Si Grau 23 Ti-6Al-4V-0,13O Grau 24 Ti-6Al-4V-(0,3-0,8)Ni-(0,04-0,08)Pd Grau 26 e 27 Ti-(0,08-0,14)Ru Grau 28 Ti-3Al-2,8V-(0,08-0,14)Ru Grau 29 Ti-6Al-4V-(0,08-0,14)Ru Grau 30 e 31 Ti-0,3Co-0,05Pd Grau 32 Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0,8Mo Grau 33 e 34 Ti-0,4Ni-0,015Pd-0,025Ru-0,15Cr Grau 35 Ti-4,5Al-2Mo-1,6V-0,5Fe-0,3Si Grau 36 Ti-45Nb Grau 37 Ti-1,5Al Grau 38 Ti-4Al-2,5V-1,5Fe

Ligas α O grupo das ligas α constituem o Ticp e ligas com a presença de elementos α-estabilizadores ou neutros. Estas ligas são caracterizadas por apresentar apenas a fase α na temperatura ambiente. Como não há a obtenção de fases metaestáveis com resfriamentos rápidos, os processos de tratamentos térmicos não apresentam variações na microestrutura. Podem ser utilizadas tanto em altas quanto em baixas temperaturas, devido à grande resistência a fluência e ausência de transição dúctil-frágil. Devido à sua estrutura hexagonal, as ligas α em geral apresentam boa resistência mecânica, tenacidade à fratura, alto módulo de elasticidade e baixa ductilidade. Suas aplicações envolvem principalmente a indústria química, militar e aeronáutica, em razão de sua elevada resistência a corrosão.

Ligas quase-α As ligas quase-α são caracterizadas por possuírem uma pequena fração de fase β retida em sua microestrutura. A fase β retida é proveniente do aumento do campo α+β do titânio devido às pequenas concentrações de β-estabilizadores. Estas ligas apresentam quantidades de β-estabilizadores entre 1 e 2%.

Ligas α+β As ligas α+β apresentam teores balanceados de elementos α e β estabilizadores, de modo que a faixa de formação de fases α e β é estendido para a temperatura ambiente. As ligas α+β podem conter desde 10% até 50% de fase β retida à temperatura ambiente. Processos de tratamentos térmicos e termo-mecânicos podem variar as concentrações volumétricas das fases α e β, alterando a microestrutura e resultando em uma ampla variação das propriedades mecânicas da liga.

Liga Ti-6Al-4V

Descoberto há mais de duzentos anos o Titânio é considerado um material recente devido sua complexidade.DONACHIE JR., M.J., Heat Treating Titanium and Its Alloys, ASM International, Materials Park, Ohio, p. 381, December 2000. O titânio e suas ligas apresentam importantes benefícios, em especial a liga Ti-6Al-4V, que combina propriedades atrativas de trabalhabilidade e usinabilidade.YOGI, L.M.; SUGAHARA, T.; MOURA NETO, C.; REIS, D. A. P.; PIORINO NETO, F.; BARBOZATRATAMENTOS, J.R., Térmicos da liga Ti6Al4V para realização de ensaio de Fluência - Anais do 13O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIII ENCITA / 2007 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 01 a 04, 2007. Para tal, reduzir as tensões residuais durante a usinagem, proporcionar o alívio de tensões, ou garantir uma melhor combinação de dureza, realiza-se o tratamento térmico na liga Ti-6Al-4V. Esta liga tem sido muito utilizada nas indústrias aeronáutica e aeroespacial, particularmente para aplicações que requerem resistência em altas temperaturas, e na indústria médica, devido a sua alta resistência a corrosão e bioinércia com a produção de implantes e próteses.LEYENS, C.; PETERS, M., Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, WILEY-VCH, Weinheim 2003. SAKAI, T.; OHASHI, M.; CHIBA, K.,Acta Metallurgica 36 (1988) 1781-1790.

Características Gerais

O titânio é um elemento alotrópico, este pode existir em mais de uma forma cristalográfica. A estrutura hexagonal compacta (HC), denominada como fase α e representada na figura 1, está presente em temperaturas ambientes. A partir de uma temperatura de 883°C ocorre a transformação de sua estrutura, de HC passa a ser uma estrutura de cúbica de corpo centrado (CCC), denominada de fase β e identificada na figura 2. Estas duas estruturas são a base para as classes da liga de titânio LEYENS, C.; PETERS, M., Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, WILEY-VCH, Weinheim 2003. BRUNETTE, D. M.; TENGVALL, P., Titanium in Medicine, Material Science Surface, Engineering, Biological responses and medical applications, Springer, Berlin 2001 LÜTJERING, G.; WILLIAMS, J. C. Titanium – Engineering Materials and Processes, Springer, New York, 2003. <http://www.bior-acnis.com.br/titanio-%E2%80%A2-astm-f136-%E2%80%A2-6al-4v-eli/> acessado em 22/10/2015.

A liga Ti-6Al-4V é uma liga alfa-beta que possui quantidade de elementos estabilizadores de ambas as fases em quantidade equilibrada e proporciona as seguintes propriedades: baixa densidade, boa resistência mecânica à tração (900 a 1200 MPa), excelente resistência à corrosão (formação da camada passivada de TiO2), alta resistência a fadiga, baixa condutividade térmica e relativa abundância na natureza (é o nono metal mais abundante). GILBERT, R.; SHANNON, C.R., Heat Treating of Titanium, In: ASM Metals Handbook, V. 4, ASM International, Ohio(USA), 1991. <http://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=MTP641> acessado em 22/10/2015. Outra propriedade, é a dureza da liga Ti-6Al-4V, bem mais alta do que a do alumínio e se aproxima da dureza encontrada em alguns aços termicamente tratados. Sua dureza varia entre 200 e 300 HV, e quando tratada termicamente, em torno de 350 e 500 HV. Como também, apresenta uma tensão limite de escoamento de 950 MPa e tensão média de escoamento de 880 MPa.

Forma de Obtenção

O Titânio foi descoberto, em 1791, pelo inglês William Justin Gregor através de um isolamento de ilmenita (FeTiO3) quando investigava a areia magnética. Posteriormente, ocorreu uma redescoberta pelo químico alemão Martin Heinrich Klaproth, com o mineral rutilo (TiO2).BRUNETTE, D. M.; TENGVALL, P., Titanium in Medicine, Material Science Surface, Engineering, Biological responses and medical applications, Springer, Berlin 2001DONACHIE, M. J. Titanium – a technical guide. ASM International: Ohio. 1988 O titânio é obtido através da extração em depósitos primários ou secundários, nos depósitos primários são encontrados rutilo, ilmenita, anatásio e leucoxênio, identificados na figura 3. De acordo com o Anuário Mineral Brasileiro (DNPM, 2006), o Brasil possui reservas medidas de 230,5 milhões de toneladas de ilmenita e 11,4 milhões toneladas de rutilo, além de possuir a maior reserva mundial de anatásio, com 419,2 milhões de toneladas. Estima-se que nos depósitos da Noruega, Finlândia, Ucrânia e Canadá estão concentrados seiscentos milhões de toneladas de ilmenita.DNPM – Departamento Nacional da Produção Mineral. Anuário Mineral Brasileiro, p.378 – 391, 2001

Para a fabricação do titânio metálico, é relatada a existência de seis processos disponíveis: "Kroll", "Hunter", redução eletrolítica, redução gasosa, redução com plasma e redução metalotérmica. O principal processo, dentre os relacionados, é o processo “Kroll”, o mais utilizado atualmente.KROLL, W., The Production of Ductile Titanium. Canada : s.n., 78º General Meeting