Estrutura e Classificação de Ligas de Titânio

Conhecimento básico de titânio

O titânio é um importante metal estrutural desenvolvido na década de 1950. As ligas de titânio são amplamente utilizadas em vários campos devido à sua alta resistência específica, boa resistência à corrosão e alta resistência ao calor. Muitos países do mundo reconheceram a importância dos materiais de liga de titânio e os estudaram e desenvolveram sucessivamente, e obtiveram aplicação prática. O titânio é o quarto elemento B da tabela periódica. Parece aço e tem um ponto de fusão de 1 672 C. É um metal refratário. O titânio é abundante na crosta, muito mais alto que os metais comuns, como Cu, Zn, Sn e Pb. Os recursos de titânio na China são extremamente abundantes. Somente na magnetita de vanádio-titânio superdimensionada descoberta na área de Panzhihua, província de Sichuan, as reservas de titânio associadas totalizam cerca de 420 milhões de toneladas, o que é próximo ao total de reservas provadas de titânio no exterior. As ligas de titânio podem ser divididas em ligas resistentes ao calor, ligas de alta resistência, ligas resistentes à corrosão (ligas Ti-Mo, Ti-Pd, etc.), ligas de baixa temperatura e ligas funcionais especiais (materiais de armazenamento de hidrogênio Ti-Fe e memória Ti-Ni ligas).

Elementos da liga de titânio

As ligas de titânio são ligas à base de titânio e adicionadas com outros elementos. O titânio possui dois tipos de cristais heterogêneos homogêneos: alfa-titânio com estrutura hexagonal densa abaixo de 882 C e beta-titânio com estrutura cúbica centrada no corpo acima de 882 C. Os elementos de liga podem ser divididos em três categorias de acordo com sua influência na temperatura de transformação de fase: 1. Os elementos que estabilizam a fase alfa e aumentam a temperatura de transformação da fase são elementos estáveis alfa, incluindo alumínio, carbono, oxigênio e nitrogênio. Entre eles, o alumínio é o principal elemento de liga de titânio. Tem um efeito óbvio na melhoria da resistência à temperatura ambiente e alta temperatura, reduzindo a gravidade específica e aumentando o módulo elástico da liga. (2) A fase beta estável e a temperatura de transição de fase decrescente são elementos estáveis beta, que podem ser divididos em dois tipos: isomórfico e eutectoide. O primeiro inclui molibdênio, nióbio e vanádio, enquanto o último inclui cromo, manganês, cobre, ferro e silício. (3) Elementos neutros, como zircônio e estanho, têm pouco efeito na temperatura de transição de fase.

Oxigênio, nitrogênio, carbono e hidrogênio são as principais impurezas das ligas de titânio. O oxigênio e o nitrogênio têm maior solubilidade na fase alfa, que tem um efeito significativo de fortalecimento na liga de titânio, mas reduz sua plasticidade. O teor de oxigênio e nitrogênio no titânio é geralmente estipulado como abaixo de 0,15-0,2% e 0,04-0,05%, respectivamente. A solubilidade do hidrogênio na fase alfa é muito pequena. O excesso de hidrogênio dissolvido na liga de titânio produzirá hidreto, o que torna a liga quebradiça. Normalmente, o teor de hidrogênio nas ligas de titânio é controlado abaixo de 0,015%. A dissolução do hidrogênio em titânio é reversível.

classificação

O titânio é um isômero com um ponto de fusão de 1720 (?) C e uma estrutura de treliça hexagonal densa a temperaturas abaixo de 882 (?), Que é chamado de alfa-titânio, e uma estrutura de treliça cúbica centrada no corpo a temperaturas acima de 882 (?) C , que é chamado beta-titânio. Ligas de titânio com diferentes microestruturas podem ser obtidas adicionando elementos de liga apropriados para alterar gradualmente a temperatura de transformação de fase e o conteúdo da fase. As ligas de titânio têm três tipos de estruturas matriciais à temperatura ambiente. As ligas de titânio também podem ser divididas em três categorias: ligas alfa, ligas (alfa + beta) e ligas beta. A China é representada por TA, TC e TB, respectivamente.

Liga de titânio alfa

É uma liga monofásica que consiste em solução sólida de fase alfa. É fase alfa tanto na temperatura geral quanto na temperatura de aplicação prática mais alta. Possui estrutura estável, maior resistência ao desgaste e forte resistência à oxidação do que o titânio puro. Sua força e resistência à fluência são mantidas a temperaturas de 500 600 C, mas não podem ser reforçadas por tratamento térmico, e sua força à temperatura ambiente não é alta.

Liga de titânio beta

É uma liga monofásica composta de solução sólida em fase beta. Possui alta resistência sem tratamento térmico. Após a têmpera e o envelhecimento, a liga é reforçada e sua resistência à temperatura ambiente pode chegar a 1372-1666 MPa. No entanto, sua estabilidade térmica é baixa e não é adequada para uso em alta temperatura.

Liga de titânio alfa + beta

É uma liga bifásica com boas propriedades abrangentes, boa estabilidade estrutural, boa tenacidade, plasticidade e propriedades de deformação a alta temperatura. Pode ser processado sob pressão quente e fortalecido por resfriamento e envelhecimento. Após o tratamento térmico, a resistência aumenta em 50%-100% em comparação com o estado de recozimento, e a resistência à alta temperatura pode funcionar por um longo tempo na temperatura de 400 500 e sua estabilidade térmica é inferior à da liga de titânio alfa.

Entre os três tipos de ligas de titânio, a liga alfa-titânio e a liga alfa + beta-titânio são mais comumente usadas; A liga alfa-titânio possui a melhor usinabilidade, seguida pela liga alfa + beta-titânio e liga beta-titânio. Código da liga alfa-titânio TA, código da liga beta-titânio TB, código da liga alfa + beta-titânio TC.

Aplicação de liga de titânio

As ligas de titânio podem ser divididas em ligas resistentes ao calor, ligas de alta resistência, ligas resistentes à corrosão (ligas Ti-Mo, Ti-Pd, etc.), ligas de baixa temperatura e ligas funcionais especiais (materiais de armazenamento de hidrogênio Ti-Fe e memória Ti-Ni ligas). A composição e as propriedades das ligas típicas são mostradas na tabela.

Diferentes composições e estruturas de fases podem ser obtidas ajustando o processo de tratamento térmico. Geralmente, acredita-se que a estrutura equiaxial fina tenha melhor plasticidade, estabilidade térmica e resistência à fadiga; estrutura acicular tem maior resistência, resistência à fluência e tenacidade à fratura; estrutura mista equiaxial e acicular possui melhores propriedades abrangentes.

As ligas de titânio possuem alta resistência, baixa densidade, boas propriedades mecânicas, boa tenacidade e resistência à corrosão. Além disso, a liga de titânio apresenta baixo desempenho tecnológico e corte difícil. É fácil absorver impurezas como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono no trabalho a quente. Também há baixa resistência ao desgaste e processo de produção complexo. A produção industrializada de titânio começou em 1948. Com o desenvolvimento da indústria da aviação, a indústria de titânio está crescendo a uma taxa média de 8% por ano. Atualmente, a produção anual de materiais de processamento de liga de titânio no mundo atingiu mais de 40.000 toneladas e existem quase 30 tipos de tipos de liga de titânio. As ligas de titânio mais usadas são Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) e titânio puro industrial (TA1, TA 2 e TA3).

A liga de titânio é usada principalmente na fabricação de peças de compressores de motores de aeronaves, seguidas por foguetes, mísseis e aeronaves de alta velocidade. Em meados da década de 1960, o titânio e suas ligas foram usados na indústria em geral para fabricar eletrodos na indústria de eletrólise, condensadores em usinas de energia, aquecedores para refino de petróleo e dessalinização da água do mar e dispositivos de controle da poluição ambiental. O titânio e suas ligas se tornaram um tipo de material estrutural resistente à corrosão. Além disso, também é usado para produzir materiais de armazenamento de hidrogênio e moldar ligas com memória.

O titânio e as ligas de titânio foram estudados em 1956 na China e a produção industrializada de materiais de titânio e ligas de TB2 foi desenvolvida em meados da década de 1960.

A liga de titânio é um novo material estrutural importante usado na indústria aeroespacial. Sua gravidade específica, resistência e temperatura de serviço estão entre o alumínio e o aço, mas tem alta resistência específica e excelente resistência à corrosão da água do mar e desempenho em temperatura ultrabaixa. Em 1950, os EUA usaram pela primeira vez o caça-bombardeiro F-84 como componentes sem carga, como a placa de isolamento térmico da fuselagem traseira, o capô da guia de ar e o capô da cauda. Desde a década de 1960, o uso de ligas de titânio mudou da fuselagem traseira para a fuselagem central, substituindo parcialmente o aço estrutural para fabricar componentes de suporte de carga importantes, como divisórias, vigas, abas e corrediças. A quantidade de liga de titânio usada em aeronaves militares aumenta rapidamente, atingindo 20%-25% do peso da estrutura da aeronave. As ligas de titânio têm sido amplamente utilizadas em aeronaves civis desde a década de 1970. Por exemplo, a quantidade de titânio usada em aeronaves de passageiros Boeing 747 é superior a 3640 kg. O titânio para aeronaves com número de Mach inferior a 2,5 é usado principalmente para substituir o aço a fim de reduzir o peso estrutural. Por exemplo, a aeronave de reconhecimento de alta velocidade de alta altitude SR-71 dos Estados Unidos (voando Mach número 3, altitude de voo de 26.212 metros), o titânio foi responsável por 93% do peso estrutural da aeronave, conhecida como aeronave “todo titânio”. Quando a relação empuxo-peso do motor aeronáutico aumenta de 4 para 6 para 8 para 10 e a temperatura de saída do compressor aumenta de 200 para 300 graus C para 500 a 600 graus C, o disco e a lâmina originais do compressor de baixa pressão são feitos de o alumínio deve ser substituído por liga de titânio, ou o disco e a lâmina do compressor de alta pressão feitos de liga de titânio em vez de aço inoxidável, a fim de reduzir o peso estrutural. Na década de 1970, a quantidade de liga de titânio usada em motores aeronáuticos geralmente representava 20%-30% do peso total da estrutura. Foi usado principalmente para fabricar componentes de compressores, como ventiladores de titânio forjado, discos e lâminas de compressor, carcaça de compressor de titânio fundido, carcaça intermediária, carcaça de rolamento, etc. para fabricar vários vasos de pressão, tanques de combustível, fixadores, cintas de instrumentos, estruturas e conchas de foguetes. Soldagens de placas de liga de titânio também são usadas em satélites terrestres artificiais, módulo lunar, espaçonaves tripuladas e ônibus espaciais.