Avaliação microestrutural da liga Ti-6Al-4V após tratamento superficial com laser pulsado Nd:YAG.
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1 Avaliação microestrutural da liga Ti-6Al-4V após tratamento superficial com laser pulsado Nd:YAG. Fábio Sawada Cutrim Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista PIBIC CNPq Danieli Aparecida Pereira Reis Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista PNPD CAPES Carlos de Moura Neto ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica Professor Associado II Resumo: Neste trabalho, inicialmente fez-se uma pesquisa sobre a liga Ti6Al4V no que diz respeito a ensaios de fluência bem como tipos de tratamento aos quais a mesma é submetida. O tratamento principal estudado foi o Laser Pulsado Nd:YAG, o qual interage com o material de forma a melhorar suas características mecânicas. Por final, realizou-se um ensaio de fluência num corpo de prova tratado com esta tecnologia, e mostrou-se os resultados através de curvas de fluência e micrografias. Palavras chave: laser pulsado Nd:YAG, fluência, liga Ti6Al4V. 1. Introdução Titânio é um elemento de transição de número atômico 22 e peso atômico 47,88 g/mol. Sua camada de valência incompleta o faz um elemento muito reativo e que pode formar vários tipos de solução sólida. Este metal é um dos mais encontrados na superfície terrestre, porém com o problema de estar sempre em conjunto com outros elementos formando ligas e minerais, o que torna difícil a sua obtenção como elemento puro; o processo para obtenção de titânio puro consiste basicamente na cloração de minerais para formação de tetracloreto de titânio (TiCl4) seguida da redução deste mediante magnésio fundido e uma atmosfera de argônio para evitar oxidação.[ A. Pino, 2003] Um tipo de ensaio muito comum aplicado a ligas metálicas é o de fluência, que se resume basicamente a estudar o comportamento da mesma quando submetida a uma determinada carga em altas temperaturas. Existem várias formas de tratamento para este tipo de liga, neste trabalho, estudar-se-á o comportamento em fluência da liga tratada a laser pulsado Nd:YAG, que é relativamente recente e se mostra bem interessante no sentido de melhorar as características mecânicas da liga. [ W.D.Callister, Jr, 2001] O estudo de fluência de ligas de titânio tratadas superficialmente com laser pulsado Nd:YAG é um projeto inovador e representa um avanço no cenário tecnológico nacional e internacional, visto a necessidade de estudo da oxidação e resistência em materiais estruturais em temperaturas elevadas e em condições de maior severidade. A caracterização microestrutural será ferramenta valiosa para a compreensão dos mecanismos de fluência da liga Ti- 6Al-4V. 2. Objetivos O objeto de estudo deste trabalho é a liga Ti-6Al-4V, que é do tipo α+β e é uma das mais importantes ligas de titânio e que tem sido muito utilizada na indústria aeronáutica e aeroespacial por suas características desejáveis. Com o intuito de melhorar as propriedades da liga Ti-6Al-4V, é necessário entender os
2 mecanismos associados à deformação sob temperaturas elevadas, ou seja, os mecanismos de fluência. Muitos avanços foram atingidos no estudo de ligas de titânio, chegando-se a ligas com alta resistência à tração, ductilidade e resistência à fluência em altas temperaturas, porém, um fator que limita a sua utilização é o fato de o titânio apresentar grande afinidade ao oxigênio, fato que traz problemas relacionados à oxidação. [B.S.Yilbas, M.Khaled, C.Karatas, I.Uslan, O.Keles, I.Y.Usta, M.Ahsan, 2005 ; B.S.Yilbas, C.Karatas, I.Uslan, O.Keles, I.Y.Usta, M.Ahsan, 2005] O que se propõe neste trabalho é basicamente uma caracterização microestrutural da liga de titânio Ti-6Al- 4V (do tipo α+β) tratada superficialmente com laser pulsado Nd:YAG após sujeita a um ensaio de fluência. 3. Materiais e métodos 3.1. Descrição de um aparato experimental de laser O sistema de laser consiste basicamente de três elementos: o aparelho de laser Nd:YAG, uma cabine de controle e um terminal informático. O dispositivo emissor de laser consta de uma câmara ressonante acoplada a um conjunto de acessórios ópticos, dentre os quais se destaca um conjunto de espelhos galvanométricos na cabeça do laser; na câmara ressonante, o elemento ativo é um cristal de Y 3 Al 5 O 12 dopado com impurezas de Nd 3+ onde se produz o efeito laser. Outro dispositivo importante é um Q-switch que permite operar tanto em modo contínuo como pulsado. Por final temos um conjunto de lentes focalizadoras na saída do raio para ajustes no diâmetro do mesmo. A Fig. 1 a seguir mostra um esquema deste aparato experimental. [ A. Pino, 2003] A nitretação por laser pulsado Nd:YAG foi realizada por meio de cooperação já existente com a Universidade Politécnica de Madrid (Madrid Espanha). Foi utilizado o laser ROFIN DY 033 e software Talymap Silver 4.0. Os tratamentos foram realizados em uma combinação de gases de 40% N e 60% Ar, com potência de 2,1 W, velocidade de 10 m/s, diâmetro de spot de 7 mm e vazão de gases de 12,5 L/min. As amostras foram lixadas com lixas de SiC com 600 mesh de granulometria e limpas em ultra-som com solução de acetona + etanol, para a preparação do tratamento com laser. Após o tratamento por laser, as amostras foram caracterizadas microestruturalmente e ensaiadas em ensaio de fluência. A Tab. 1 apresenta os valores dos parâmetros utilizados na nitretação por laser pulsado das amostras. Figura 1: Esquema de um aparato de laser. (A) espelhos, (B) unidade de excitação óptica, (C) Q-Switch ajusto-óptico, (D) suporte das aberturas, (E) sistema de segurança, (F) extensor de haz, (G) foto diodo, (H) espelhos móveis galvanométricos, (I) lente de focalização.
3 Tabela 1. Valores dos parâmetros utilizados na nitretação por laser pulsado das amostras. Parâmetros Nd-YAG Laser Potência 1,6-10 W Comprimento focal das lentes mm Velocidade de varredura do laser 50 mm/s Atmosfera 40% N + 60% Ar Profundidade sobre a superfície da 0,2-4,5 µm amostra Distância entre a lente-focal e o 89 mm alvo Energia do laser pulsado 1,9-9,0 mj Diâmetro do spot do laser 0,17-0,98mm Diâmetro da zona central 0,04-0,24 mm Intensidade de laser incidente 3,1 x10 9 W/cm 2 Distribuição Gaussiana 3.2. Técnicas de caracterização O comportamento de um material em temperatura ambiente é facilmente previsto pela lei de Hooke, porém, quando o mesmo se encontra em temperaturas elevadas (entre 1/3 e 1/2 da temperatura de fusão do mesmo), o comportamento é diferente. Fluência pode ser definida como uma deformação plástica permanente ocorrendo a alta temperatura sob carga constante num período de tempo bastante longo (dias, semanas, meses até anos). O ensaio de fluência é constituído basicamente de três estágios, a primeira etapa é caracterizada por uma taxa de deformação decrescente, a segunda, por uma taxa de deformação constante e a última por um aumento na taxa de deformação e também pela formação de uma estricção. A Fig. 2 a seguir mostra o esquema de um aparato de ensaio e a Fig. 3 mostra uma curva de fluência comum. [J.Otubo, 2007]
4 Corpo-de- Forno Carga constante Figura 2: Esquema de equipamento utilizado para o ensaio de fluência. Figura 3: Curva de fluência típica, com as três etapas indicadas. Existem várias técnicas de caracterização microestrutural para a amostra após o ensaio de fluência, porém, neste trabalho será utilizada somente a técnica de Microscopia Óptica (MO). Na Microscopia Óptica precisa-se de uma amostra plana e especular, então torna-se necessário a preparação metalográfica utilizando-se dos métodos usuais de metalografia. Basicamente as etapas deste processo consistem no embutimento da amostra, se necessário, seguido do polimento da mesma e então a observação no microscópio.
5 4. Resultados obtidos A Fig. 4 apresenta uma micrografia da liga Ti-6Al-4V como-recebida. Observa-se a presença da fase α (clara) e da fase β (escura) em uma microestrutura fina. Figura 4: Micrografia da liga Ti-6Al-4V como-recebida. Os ensaios de fluência foram realizados no Laboratório de Tecnologia do Instituto Tecnológico de Aeronáutica, para as condições na temperatura de 600 o C e tensão de 222 MPa e 319 MPa, tanto para um corpo de prova sem tratamento como para um tratado a Laser Nd:YAG. A Fig. 5 a seguir mostra o corpo-de-prova padrão utilizado nos ensaios com o tratamento superficial de laser Nd:YAG, percebe-se que a superfície sofreu um tratamento superficial. Figura 5: Corpos de prova (a) sem tratamento e (b) tratado com laser pulsado Nd:YAG.
6 4.1. Temperatura 600 o C e tensão de 222 MPa A seguir (Fig. 6) é mostrada a curva de fluência para uma temperatura de 600 o C e tensão de 222 MPa, em seguida na Fig. 6 é mostrada a micrografia obtida por microscopia óptica. Figura 6: Curva de fluência Ti-6Al-4V 600 o C e 222MPa. Figura 7: Micrografia obtida por microscopia óptica com aumento de 500x para 600 o C e 222MPa.
7 Como o esperado, na Fig. 6 podemos observar o fato de o tratamento com laser ter aumentado bastante a resistência do material, já que para uma mesma carga temos uma deformação menor com o aumento da vida em fluência Temperatura 600 o C e tensão de 319 MPa A seguir (Fig. 8) é mostrada a curva de fluência para uma temperatura de 600 o C e tensão de 319 MPa, em seguida na Fig. 9 é mostrada a micrografia obtida por microscopia óptica. Figura 8: Curva de fluência Ti-6Al-4V 600 o C e 319 MPa.
8 Figura 9: Micrografia obtida por microscopia óptica com aumento de 500x para 600 o C e 319MPa. As Fig. 7 e 9 apresentam micrografia da liga Ti-6Al-4V após nitretação por laser pulsado Nd:YAG. Observamse as alterações na microestrutura devido à fusão superficial sofrida pelo material. A microestrutura apresenta-se mais grosseira e com marcas de fusão superficiais. As Fig. 6 e 8 mostram as curvas de fluência para a liga, comprovando que o tratamento de nitretação por laser pulsado Nd:YAG apresentou uma maior resistência à oxidação, sofrendo uma menor deformação e apresentando um maior tempo de vida. 5. Conclusão As amostras foram caracterizadas microestruturalmente por microscopia ótica e submetidas ao ensaio de fluência na condição carga constante na temperatura de 600ºC e 222 e 319 MPa. Observou-se as alterações na microestrutura devido à fusão superficial sofrida pelo material. A microestrutura apresentou-se mais grosseira e com marcas de fusão superficiais. Os resultados obtidos sugerem que o tratamento superficial por laser Nd:YAG na liga Ti-6Al-4V conferiu uma maior resistência à oxidação na liga e aumento do tempo-de-vida em fluência. 6. Referências bibliográficas Pino, 2003, Coloración del Titanio mediante el tratamento superficial de oxidación con láser, Tese de doutorado, Universitat de Barcelona en Barcelona; B.S.Yilbas, M.Khaled, C.Karatas, I.Uslan, O.Keles, I.Y.Usta, M.Ahsan, 2005, Electrochemical properties of the laser nitride surfaces of Ti-6A;-4V, ME Department, KFUPM, Dharam, Arábia Saudita; Chemistry Department, KFUPM, Dharam, Arábia Saudita; Hacettepe University, Ankara, Turquia; Gazi University, Ankara, Turquia;
9 B.S.Yilbas, C.Karatas, I.Uslan, O.Keles, I.Y.Usta, M.Ahsan, 2005, CO2 laser gas assisted nitriding of Ti-6A-4V alloy, KFUPM, Dharam, Arábia Saudita; Hacettepe University, Ankara, Turquia; Gazi University, Ankara, Turquia; J.Otubo, 2007, Introdução à Ciência dos Materiais, Divisão de Engenharia Mecânica-Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, São Paulo, Brasil; W.D.Callister, Jr, 2001, Fundamentals of Material Science and Engineering, Fifth Edition, Department of Metallurgical Engineering, The University of Utah, United States of America. 7. Agradecimentos CAPES, CNPq, FAPESP e FAPEAM pelos auxílios financeiros; À Dra. Danieli, pelo apoio e orientação; Ao professor Dr. Moura Neto, pelo apoio e pela oportunidade do trabalho.
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