Recentes Avanços em Ligas de Ti Tipo : Transformações de Fase e Aplicações

Transcrição

1 Recentes Avanços em Ligas de Ti Tipo : Transformações de Fase e Aplicações Rubens Caram Universidade Estadual de Campinas 19º CBECIMAT, Campos do Jordão, SP de Novembro de 2010

2 DSC/(uV/mg) Temperature (ºC) Grupo de Titânio na UNICAMP Estudo Teóricos e Experimentais em Metalurgia Física em Ligas de Ti Desenvolvimento de Processos de Fabricação usando Ligas de Ti Desenvolvimento de Ligas de Ti com Aplicações Médicas e Estruturais 0,1 Ti-30Nb-2Sn 0,0-0,1-0,2 DSC , ,4 Temperature 400-0, , ,7 exo 100-0, Time (min.) R. Caram - 2

3 Resistência Mecânica / Densidade kgf/mm 2 / g/cm 3 ) Titânio Temperatura de Fusão: 1670 o C Raio Atômico: 0,147 nm Densidade: 4,5 g/cm 3 Transformação Alotrópica em 882,5 o C Reage com O, N, C e H Biocompatível Não Magnético Alta Resistência à Corrosão Alta Resistência Mecânica Específica Ligas de Ti 20 Aços e Ligas de Ni Berílio Ligas de Al Ti CP Temperatura, ( o C) R. Caram - 3

4 Titânio Por que o Ti não é tão utilizado como o Al e o aço? Ti é: Custo!!! (15 20X o do Al) Difícil de extrair Difícil de processar Difícil de fabricar Se o custo do Ti fosse próximo ao do Al ou do aço, padrões de desempenho de produtos de engenharia seriam superiores: Jatos supersônicos comerciais seriam comuns Eficiência no consumo de combustíveis substancialmente maior Estruturas de Engenharia muito mais seguras Produção mundial de veículos: 80 milhões ½ kg de Ti em 50% dessa produção aumentaria o uso do Ti em 30%: estabilização do custo R. Caram - 4

5 Ligas Metaestáveis Ligas de Ti tipo encontram aplicações em inúmeros setores, em especial no médico e aeroespacial Exibem alta resistência mecânica, alta resistência à fadiga e baixo módulo de elasticidade Adição de elementos e rotas de processamento resultam em microestruturas polifásicas e complexas Evolução microestrutural e relações microestrutura/propriedades não são totalmente conhecidas - formação e papel de Precipitação de a partir de Início da formação de F. Prima et al., Scripta Materialia 54 (2006) R. Banerjee et al., ICAM nm R. Caram - 5

6 Objetivos Comportamento mecânico de ligas de Ti depende da natureza da microestrutura e de suas transformações de fase: Fração volumétrica, Tipo e distribuição de fases Microestrutura de ligas de Ti tipo metaestáveis são extremamente instáveis e sensíveis a tratamentos térmicos Objetivo: Apresentar aplicações e avaliar cinética de transformações de fase nas ligas: Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr : Ti5553 Ti-30Nb, Ti30Nb-2Sn e Ti30Nb-4Sn R. Caram - 6

7 Ti: Aplicações em Arquitetura National Science Centre Glasgow, Escócia Bilbao Guggenheim Museum Bilbao, Espanha Napier University Edinburgh, Escócia Medical Building Pedestrian Bridge Beverly Hills, California R. Caram th Century Church Chamonix, França Kyushu National Museum Dazaifu, Japão

8 Ti: Aplicações Navais Porta Aviões Gerald R. Ford (2015) Redução do peso total Baixo centro de gravidade Maior capacidade de carga Redução da assinatura magnética Redução da manutenção e do custo operacional Submarinos 1 a Guerra: Casco de aço carbono Profundidade máxima: 100 m 2 a Guerra: Casco de aço de alta resistência Profundidade máxima: 200 m Hoje: Casco de aço de alta resistência Prof. máxima: m Casco em ligas de Ti - Submarino soviético Komsomolets Profundidade máxima: 1000 m USS Gerald R. Ford Imagem gerada por computador Submarino Soviético K-278 Komsomolets R. Caram - 8

9 Ti: Aplicações Aeroespaciais Ti é muito mais leve que o aço e bem mais resistente que o Al: Ti é ideal em aplicações aeroespaciais 1ª. aplicação industrial do Ti foi na fabricação de componentes dos motores do B-52 Pratt & Whitney J-57 Uso de Ti em pás do compressor: defeitos de fabricação e presença de elementos intersticiais resultaram na falha desses motores 1ª. aeronave a utilizar Ti em componentes estruturais foi Douglas X-3 Stiletto Uma das metas desse projeto foi o desenvolvimento de processos de fabricação de componentes usando o Ti R. Caram - 9 Boeing B Douglas X-3 Stiletto

10 Ti: Aplicações Aeroespaciais Avião mais rápido já construído (Mach 3.2 = km/h) Fricção com o ar resultava no aquecimento da fuselagem, Al não podia ser empregado: SR-71 Blackbird - quase que totalmente fabricado com Ti Ti não era suficientemente puro e os EUA adquiriram da URSS (CIA) Russos não sabiam que o Ti vendido era usado para fabricar o SR-71, usado para espiá-los Inúmeros problemas: água, dilatação da fuselagem, emissão de calor Ligas de Ti utilizadas no SR-71: Ti-5Al-2.5Sn (Liga ) Ti-13V-11Cr-3Al (Liga ) fuselagem (0,5 to 1,0 mm) (TT durante o vôo) Ti-6Al-4V (Liga +) R. Caram - 10 SR-71 All Titanium Aircraft Fastest and Highest Flying

11 Ti: Aplicações Aeroespaciais Fibra de vidro Alumínio Boeing 787 Dreamliner: 15% do peso consiste em ligas de Ti Compósito Carbono Laminado Compósito Carbono Sanduiche Alumínio/Aço/Titânio Materiais Utilizados (% em peso) Aço 10% Outros 5% Compósitos 50% Titânio 15% Alumínio 20% Alto potencial galvânico entre o grafite e Al ou aço e a umidade podem causar a corrosão desses metais Titânio é a solução R. Caram - 11

12 Ti: Aplicações Automotivas Suspensão da Yamaha YZ 450: - Liga TIMET LCB - Redução em peso de 60% - Eliminação de Corrosão - Maior dirigibilidade R. Caram - 12

13 Ti: Aplicações Biomédicas Lei de Wolff: Arquitetura interna e forma externa de ossos são sensíveis a tensões mecânicas Material de implantes ortopédicos devem simular o comportamento elástico dos ossos Transferência de carga insuficiente pode causar reabsorção óssea e afrouxamento do implante Osso Fraturado Osso Saudável R. Caram - 13 Osso com Osteoporose Aço Inox E=200 GPa

14 Temperatura Metalurgia do Ti Titânio exibe duas formas alotrópicas: HC e CCC HC () CCC () CCC () 883 o C HC () Adição de elementos de liga pode alterar a estabilidade de fases, alterando a microestrutura e comportamento mecânico R. Caram - 14

15 Temperatura Classificação de Ligas de Ti Ligas de Ti: classificadas em 3 categorias: Ligas, + e, subdivisões quase e ligas metaestáveis Classificação de ligas depende da sua posição no diagrama de fase isomorfo + -estabilizador Ti-8Mn Ti-13V-11Cr-3Al Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-6V-2Sn Ti-15Mo-5Zr-3Al Ti-6Al-4V Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-8Al-1Mo-1V Ti-10V-2Fe-3Al R. Caram - 15 Ti-5Al-2.5Sn M F M S

16 Temperatura Diagrama de Fase - Ligas Tipo M i ( ) = Início da formação da martensita M i ( ) = Início da formação da martensita M i ( ) M i ( ) ω ate = fase ω atérmica ω iso = fase ω isotérmica + ω ate β + ω β + ω iso β + β Ti 100 % Ligas metaestáveis Teor de Estabilizador R. Caram - 16

17 Fases Precipitado sub-microscópico formado no resfriamento da fase (fase de transição entre e ) ω atérmica - Formada no resfriamento rápido da fase, se o teor de soluto é suficientemente alto para reter a fase ω isotérmica - Formada durante o envelhecimento na faixa de temperaturas entre 100ºC a 500ºC ω isotérmica - Crescimento dessa fase é continuação da transformação atérmica e sua formação envolve segregação de elemento estabilizador ω isotérmica - diferencia-se da fase ω atérmica pelo tamanho de suas partículas e pelo gradiente de composição na interface ω/ Precipitação de ω causa drástica fragilização de ligas de Ti Módulo de elasticidade é pouco superior ao da fase (165 GPa) R. Caram - 17

18 Deslocamento Precipitação da Fase na Matriz No. da Camada - CCC Camada 2 Camada 1 Camada 0 - Hexagonal Planos {111} de CCC empilhados como abcabca Átomos das camadas 0 e 3 não se deslocam Átomos das camadas 1 e 2 sofrem colapso e formam uma única camada S. Banerjee and P. Mukhopadhyay, Phase Transformations: Examples from Ti and Zr Alloys, Pergamon Press, (2004) R. Caram - 18

19 Fase na Matriz Análise MET da liga Ti-25Nb resfriada em ar, imagem de campo claro (BF), mostrando a fase acicular e matriz e respectivo SADP. Maior magnificação mostra a fase dispersa na matriz e respectivo SADP, mostrando reflexões das fases e C.R.M. Afonso. Materials Science and Engineering: C 27 (2007) R. Caram - 19

20 Intensidade (u.a.) Intensity (a.u.) Separação Fases Alto teor de -estabilizadores - ω torna-se instável sofre processo de separação de fases: and (ambas CCC) Ti-35Nb-7Zr-5Ta: solubilizada e envelhecida 400ºC/4 h ' 400ºC / 4 h 37,50 37,75 38,00 38,25 38,50 38,75 39,00 2 (degrees) HR-XRD =0,154 nm (graus) Laboratório Nacional de Luz Síncrotron C.R.M. Afonso, Acta Biomaterialia 6 (2010) R. Caram - 20

21 Separação Fases Separação de Fases R. Caram - 21 Separação de Fases: e Análise MET, imagem de campo claro (BF) mostrando microestrutura da liga Ti- 35Nb-7Zr- 5Ta após solubilização, resfriamento em água e envelhecimento 400ºC/4 h

22 Tratamentos Térmicos de Ligas de Ti T.T. de envelhecimento aplicados às fases metaestável e martensita transformações de fases que aumentam a resistência mecânica Envelhecimentos em médias temperaturas provocam a transformação reversa da fase em fase, que é seguida pela precipitação da fase A fase atua como substrato na nucleação da fase Em ligas com médio teor de -estabilizadores, a decomposição das fases metaestáveis ocorrem em temperaturas entre 100 e 450 o C, envolvendo: + + Em ligas com teores mais altos, a decomposição ocorre em temperaturas entre 200 e 450 o C, envolvendo: R. Caram - 22

23 Resistência Mecânica Temperatura Tratamentos Térmicos de Ligas de Ti Resistência mecânica de ligas recozidas aumenta com o aumento do teor de soluto Resfriamento rápido a partir do campo leva à transformação martensítica Baixos teores de soluto produzem, que exibe alta resistência mecânica Altos teores de soluto produzem, que exibe baixa resistência mecânica. Envelhecimento resulta em alta resistência TA Recozido,, M i +,, Envelhecida Resfriamento rápido a partir do campo Estabilizador R. Caram - 23

24 Liga Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553) Ti-10V-2Fe-3Al LR= 1170 MPa LE=1100MPa Alta resistência mecânica, é utilizada em partes do trem de pouso do Airbus A-380; Embraer 170, 190; Boeing 777, 787 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr LR=1240 MPa LE=1170 MPa Início dos anos 2000 (liga VT-22 - Russia) Alternativa à liga Ti-10V-2Fe-3Al: Alta resistência mecânica e alta tenacidade à fratura Condições de processamento são mais amplas que as da Ti-10V-2Fe-3Al 1,0 m R. Caram - 24

25 Liga Ti5553 Partes do trem de pouso do A380 exibem secções espessas (200 mm), que devem exibir microestrutura homogênea Após solubilização, taxa de resfriamento para se obter fase em todo o componente não deve ser elevada Tratamento térmico deve resultar em precipitação controlada, dispersa e homogênea da fase Dimensões 4250 x 570 x 670 mm R. Caram - 25 Roque Panza-Giosa, MacMaster University, Canadá

26 Liga Ti5553 Amostras foram solubilizadas a 850 o C (Boeing/UNT) Resfriadas em água Envelhecimento avaliado por: DSC Difração de raios-x em altas temperaturas Metalografia/Dureza Comportamento mecânico depende de: Fração volumétrica da fase Tamanho de precipitados de Distribuição da fase Possíveis transformações de fase R. Caram - 26

27 Temperatura Decomposição de Processamento da Liga Ti5553 RF Resfriamento em forno RA Resfriamento em ar RR Resfriamento em água Amostra Boeing /UNT - DSC - Alta T DRX Solubilização 1h / 850ºC RR Envelhecimento: 0-1 h 200ºC, 400ºC e 600ºC RA Tempo R. Caram - 27

28 840 o C DSC (mv/mg) 517 o C 380 o C 686 o C Envelhecimento da Liga Ti5553 Análise Térmica DSC Início: microestrutura com fases Picos 1: Aumento da temperatura resulta na precipitação de finamente dispersa Pico 2: Nucleação de fase ocorre lentamente (partículas de servem como substrato) Pico 3: temperatura transus o Ciclo 1 o Ciclo exo Taxa de Aquecimento = 10 o C/min Temperatura ( o C) R. Caram - 28

29 Intensity (a.u.) Intensidade (u.a.) Envelhecimento In Situ Envelhecimento in situ usando DRX em alta temperatrura K Cu: =0,154 nm Taxa Heating de Rate Aquecimento = 10º/min = 10 o C/min t 4 min 730 ºC 675 ºC 620 ºC 570 ºC 530 ºC 480 ºC 440 ºC 395 ºC 350 ºC 320 ºC 275 ºC 235 ºC 195 ºC 110 ºC 75 ºC 45 ºC RT R. Caram (Degrees) 2 (Graus)

30 Intensidade (u.a.) Envelhecimento da Liga Ti5553 Ti o C 15' 400 o C 45' 400 o C 15' 200 o C 1h TA (Graus) R. Caram - 30

31 Intensidade (u.a.) Envelhecimento da Liga Ti5553 Ti o C 15' 400 o C 45' 400 o C 15' 200 o C 1h TA (Graus) R. Caram - 31

32 Envelhecimento da Liga Ti5553 Amostras foram solubilizadas a 850 o C Resfriadas em água Dureza Solubilizada = 303 ± 5 HV - Dureza Envelhecida = 397 ± 22 HV Precipitação da fase é limitada e dispersa Crescimento da fase é lento (cinética de transformação é baixa)] Distribuição da fase é muito dispersa (excelente) Provavelmente, difusividade atômica de solutos é baixa Solubilizada (MO) Envelhecida (MO) Envelhecida (MEV) 10 m R. Caram - 32

33 Módulo de Elastcidade (GPa) Processamento da Liga Ti-Nb-Sn Sistema Ti-Nb: ligas de baixo custo, podem ser usadas biomaterial De 15% a 30% de Nb, ocorre a formação da fase Sn suprime a precipitação de fase Ti-30Nb, Ti-30Nb-2Sn e Ti-30Nb-4Sn R. Caram Teor de Nb (% em peso de Nb) Aleixo, G.T., Solid State Phenomena, 138 (2008) 393

34 Processamento da Liga Ti-Nb-Sn Amostras foram solubilizadas a 1000 o C Resfriadas em água Envelhecimento avaliado por: DSC Difração de raios-x em altas temperaturas Metalografia/Dureza Comportamento mecânico depende de: Fração volumétrica da fase Tamanho da fase Distribuição da fase Possíveis transformações de fase R. Caram - 34

35 Temperatura Decomposição da Martensita Processamento de Ligas Ti-Nb-Sn Fusão > 2000ºC RF Resfriamento em forno RA Resfriamento em ar RR Resfriamento em água Homogeneização 12 h / 1000ºC Forjamento 850ºC RF RA Solubilização 1h / 1000ºC RR - DSC - Alta T DRX Envelhecimento: 0-4 h 260ºC e 400ºC RA Tempo R. Caram - 35

36 DSC/(uV/mg) Temperature (ºC) DSC/(uV/mg) Temperature (ºC) DSC/(uV/mg) Temperature (ºC) Envelhecimento de Ligas Ti-Nb-Sn 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7 R. Caram - 36 Ti-30Nb Análise Térmica DSC Início: microestrutura com fases e Aumento da temperatura resulta na decomposição de, pico 1: Presença de fase leva à formação de fase (final do pico 1) Pico 2: nucleação de fase (partículas de servem como substrato) Pico 3: temperatura transus Taxa de Aquecimento = 10 o C/min DSC Temperature exo Time (min.) 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8 0,1 0,0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7 Ti-30Nb-2Sn exo DSC Temperature Time (min.) Ti-30Nb-4Sn DSC Temperature exo Time (min.)

37 Intensidade (u.a.) Envelhecimento de Ligas Ti-Nb-Sn Ti-30Nb 400 o C 6h 400 o C 1h45' 260 o C 4h " " " 260 o C 15' TA (Graus) R. Caram - 37

38 Intensity (a.u.) Intensidade (u.a.) Envelhecimento de Ligas Ti-Nb-Sn Ti-30Nb 570 ºC 470 ºC 385 ºC 300 ºC 230 ºC 155 ºC 90 ºC RT " " " " R. Caram (Graus) 2 (Degrees)

39 Módulo de Elasticidade (GPa) Dureza Vickers (HV 0,2) Comportamento Mecânico Ti-30Nb ++ ++" Homogeneizada Temperada 260 C/1 min 260 C/2 h 260 C/4 h 400 C/1 min 400 C/10 min 400 C/20 min 400 C/30 min 400 C/1 h 400 C/2 h 400 C/4 h "+ 400 C/8 h 400 C/12 h 400 C/18 h 400 C/24 h R. Caram - 39

40 Intensidade (u.a.) Envelhecimento de Ligas Ti-Nb-Sn Ti-30Nb-2Sn 400 o C - 3h 400 o C - 15' 260 o C - 4h " " " Pt " 260 o C - 15' " " " " " " " " TA (Graus) R. Caram - 40

41 Módulo de Elasticidade (GPa) Dureza Vickers (HV 0,2) Comportamento Mecânico "+++ Ti-30Nb-2Sn " "+ Homogeneizada Temperada 260 C/1 min 260 C/2 h 260 C/4 h 400 C/1 min 400 C/10 min 400 C/20 min 400 C/30 min 400 C/1 h 400 C/2 h 400 C/4 h 400 C/8 h 400 C/12 h 400 C/18 h 400 C/24 h R. Caram - 41

42 Intensidade (u.a.) Envelhecimento de Ligas Ti-Nb-Sn Ti-30Nb-4Sn 400 o C 6h 400 o C 15' 260 o C 4h " " " " " " " " " " 260 o C 15' TA (Graus) R. Caram - 42

43 Módulo de Elasticidade (GPa) Dureza Vickers (HV 0,2) Comportamento Mecânico Homogeneizada Temperada 260 C/1 min 260 C/2 h 260 C/4 h 400 C/1 min 400 C/10 min 400 C/20 min 400 C/30 min 400 C/1 h 400 C/2 h 400 C/4 h 400 C/8 h 400 C/12 h "+ "+ Ti-30Nb-4Sn C/18 h 400 C/24 h R. Caram - 43

44 Temperatura Formação de no Envelhecimento? Formação de martensita pode ser resultado da separação de fases À medida que o envelhecimento ocorre, forma-se que causa aumento do teor de soluto na fase Aumento de soluto em pode causar separação de fases: (rica em soluto) e (pobre em soluto) No resfriamento, pode se transformar em martensita ortorrômbica Teor de -estabilizador R. Caram - 44

45 Forjamento a Quente de Hastes de Ti Tradicionalmente, hastes femorais de Ti são produzidas por forjamento a quente R. Caram - 45 Temperaturas acima de 1000ºC Degradação da matriz Oxidação Formação de alpha-case

46 Forjamento a Frio Haste femoral forjada a frio usando a liga Ti-30Nb-4Sn alloy Solubilizada: LE= 300 MPa / Envelhecida: LE = 900 MPa Estado inicial Pré-forma Haste com rebarba Haste acabada R. Caram - 46

47 Parafusos para Implante Ligas de Ti: alto limite de escoamento e baixo módulo de elasticidade Fenômeno spring back é significativo Alta resistência mecânica inviabiliza conformação plástica a frio Usinagem é a alternativa na fabricação de parafusos é a usinagem R. Caram - 47

48 Parafusos para Implante Liga Ti-30Nb-4Sn pode ser conformada a frio Parafuso pode ser fabricado por conformação plástica Parafuso é fabricado por forjamento e rolagem Solubilizada: LE= 300 MPa Envelhecida: LE = 900 MPa R. Caram - 48

49 Conclusões Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr Cinética de transformações de fase é baixa Formação da fase é homogênea e lenta, o que leva à distribuição dispersa Baixa cinética: precipitados da fase finos e muito dispersos Ti-Nb-Sn Adição de Sn provoca a supressão da fase e estabilização da fase É possível conformar a frio amostras de ligas Ti-Nb-Sn T.T. adequados às ligas Ti-Nb-Sn resulta em material de fácil conformação plástica e alta resistência mecânica Fabricação da haste de próteses de quadril ou de parafusos para implantes pode ser realizada por meio de processamentos a frio. R. Caram - 49

50 Última Fronteira para o Ti Dr Martin Jackson Imperial College, London, UK

51 Agradecimentos Alessandra Cremasco Alexandra O.F. Hayama Conrado R.M. Afonso Eder S.N. Lopes Flávia F. Cardoso (in memoriam) Giorgia T. Aleixo Rodrigo J. Contieri Sandra A. S. Souza R. Caram - 51