β podem eventualmente ser classificadas como ligas quase β e ligas β metaestáveis. 11 Diagrama de fases do sistema Ti-Nb Diagrama de fases do sistema Ti-Mo 12 Diagrama de fases do sistema Ti-Mo Diagrama parcial do titânio e elementos de liga β-estabilizadores Ligas Alfa (α) As ligas de titânio do tipo α são formadas pelo titânio comercialmente puro (Ti CP) e ligas contendo elementos-estabilizadores, as quais exibem apenas a fase α à temperatura ambiente. Tais ligas exibem elevada resistência à fluência e são apropriadas para uso em temperaturas relativamente elevadas. Como tais ligas não exibem fases metaestáveis obtidas através do resfriamento rápido, o emprego de tratamentos térmicos não produz variações significativas em termos microestruturais e de propriedades mecânicas. Além disso, como a fase α (HC) não é sensível a transições dúctil-frágil, esse grupo de ligas de titânio é indicado para utilização em baixas temperaturas. Em termos de comportamento mecânico, as ligas tipo 13 α caracterizam-se por exibir bom nível de resistência mecânica, alto módulo de elasticidade, boa tenacidade à fratura e baixa forjabilidade, o que se deve à estrutura HC. Micrografia ótica do titânio comercialmente puro com aumento de 200x As ligas monofásicas alfa não podem ter suas propriedades alteradas por tratamentos térmicos, mas sim somente por encruamento e recozimento subseqüente. Outro mecanismo de endurecimento nestas ligas é o endurecimento por solução sólida. O alumínio, o estanho e o zircônio (este último segundo algumas fontes) estabilizam a fase alfa. Entretanto, o teor de alumínio não deve ser superior a 7 %, uma vez que acima desse nível torna-se difícil o trabalho a quente e ocorre fragilização em baixa temperatura, devido á formação da fase Ti3Al. Uma característica deste tipo de liga é a transformação martensítica que ocorre devido ao resfriamento rápido, e a martensita resultante é conhecida como fase alfa linha. Entretanto, o endurecimento e a formação de fase Ti3Al reduzem a resistência à corrosão sob tensão. O efeito do carbono, do oxigênio, do nitrogênio e do hidrogênio nas ligas monofásicas alfa é idêntico ao efeito destes mesmos elementos no titânio comercialmente puro. Ligas Beta (β) As ligas tipo β são obtidas quando uma quantidade elevada de elementos β- estabilizadores é adicionada ao titânio, o que permite o decréscimo da temperatura de transformação alotrópica (transformação α/β) desse elemento. Caso o volume de elemento β- estabilizador adicionado ao titânio é suficientemente alto para deslocar a temperatura de início da transformação martensítica para temperaturas abaixo da temperatura ambiente, a nucleação e o crescimento da fase α se tornarão bastante reduzidos e dessa maneira, a fase β metaestável será retida à temperatura ambiente após resfriamento rápido. Este tipo de liga de titânio é bastante sensível a tratamentos térmicos. Tais tratamentos revelam ser uma ferramenta poderosa no controle e otimização do comportamento mecânico das ligas de titânio. Em alguns casos, dependendo da composição e parâmetros de tratamento térmico, a precipitação da fase metaestável ω é possível. Entretanto, a precipitação dessa fase não é desejável, pois a mesma leva a fragilização da liga e deve ser evitada. As ligas de titânio tipo β são bastante frágeis às temperaturas criogênicas e assim, não são indicadas para operação em baixas temperaturas. Por outro lado, como não exibem alta resistência à fluência, não são indicadas para emprego em temperaturas elevadas. As ligas de titânio do tipo β estão sendo exaustivamente avaliadas com o objetivo de aplicá-las na fabricação de dispositivos para implante ortopédico, pois a estabilização da estrutura CCC à temperatura ambiente produz um material com baixo módulo de elasticidade associado à resistência mecânica elevada. Em adição, tais ligas podem ser concebidas a partir da utilização de elementos de liga altamente biocompatíveis como é o caso do Nb, do Ta e do Zr. 14 Microestruturas das ligas (a) tipo b Ti-35Nb (% em peso) Microestruturas da amostras laminadas, tratadas e resfriadas em água: (a) Ti-5Mo e (b) Ti-7,5Mo. 50X 200X Micrografias obtidas por microscopia ótica para a amostra de Ti-13Nb As principais vantagens das ligas beta estão na elevada endurecibilidade, excelente forjabilidade, boa conformabilidade a frio na condição solubilizada e a possibilidade de serem endurecidas para atingir níveis de resistência mecânica relativamente altos. Ligas α+β As ligas do tipo α+β incluem ligas com teor suficiente de elementos α e β- estabilizadores que permitem expandir o campo α+β até a temperatura ambiente. Nesse tipo de liga, a combinação das fases α e β leva à obtenção de um ótimo balanço de propriedades, o que é obtido através do controle das frações volumétricas das mesmas e também de suas distribuições a partir de tratamentos térmicos e termo-mecânico. Tal procedimento resulta em uma variedade significativa de microestruturas, principalmente quando se compara com as microestruturas das ligas do tipo α. A liga Ti-6Al-4V 15 é um exemplo de liga do tipo α+β. Tal liga foi concebida para ser aplicada no setor aeroespacial e devido a sua elevada disponibilidade, ótima trabalhabilidade e comportamento mecânico superior em baixas temperaturas, tal liga se tornou a composição mais comum entre as ligas de titânio. Além disso, em função dessas características, essa liga é intensamente aplicada como biomaterial, principalmente em implantes ortopédicos. A figura abaixo exibe microestruturas de ligas do tipo β e do tipo α+β. tipo a+b Ti-6Al-7Nb (% em peso) obtidas através por resfriamento ao ar. O titânio é um elemento de baixa densidade (cerca de 60% da densidade do aço e superligas) que pode ser bastante reforçado com adição elementos de ligas e em seu processamento. As propriedades físicas e mecânicas do titânio elementares são apresentados na tabela abaixo. O titânio é magnético, uma alta condutividade elétrica e é mal condutor térmico. Seu coeficiente de expansão térmica é um pouco menor do que o aço e menos da metade do que de alumínio. Tabela Propriedades mecânicas de materiais à base de titânio 16 Microestruturas A seguir serão apresentadas algumas metalografias de ligas de titânio, mostrando seus microconstituintes típicos. 17 Liga Ti-6Al-4V; Liga Ti- 6Al- 4V com morfologia Widmanstaten. Liga Ti-6Al- 4V alfa-beta com defeito intersticial Liga Ti-8Al-1Mo-1V. Liga Ti-6Al-6V-2Sn alfa - beta Liga Ti-10V-2Fe-3Al. 18 Liga Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn Liga Ti puro. Microestruturas Fase Alfa Microestruturas Fases Alfa e Beta 19 Aplicações do Titânio e Suas Ligas Embora possuam menor resistência em altas temperaturas do que as superligas de níquel, componentes (discos, palhetas e etc) de ligas de titânio podem ser usados em determinados tipos de aplicação (temperaturas menos elevadas) em turbinas de jatos, com melhor correlação resistência mecânica/peso. Outra característica favorável do titânio e de suas ligas para esse tipo de aplicação é seu baixo coeficiente de expansão térmica em comparação com outros tipos de ligas metálicas. Para esse tipo de aplicação as ligas de titânio mais recomendadas são as bifásicas alfa+beta, como as ligas Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo, esta última também conhecida como Ti-17. Além do uso em componentes de turbinas, as ligas de titânio também podem ser usadas na estrutura das aeronaves. Na faixa de temperaturas de 150 a 500 °C as ligas de titânio são os materiais mais adequados. As ligas de titânio apresentam densidade (peso específico) e resistência mecânica intermediárias entre as ligas de alumínio e os aços. Ligas de titânio indicadas para este tipo de aplicação são: Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2,5V, Ti-662 (Ti-6Al-6V-2Sn- 0,5Cu-0,5Fe),