Fundição

Devido à sua elevada reatividade, na qual se destaca a grande afinidade pelo oxigênio, embora a tendência a reagir com o hidrogênio para formar hidretos também seja importante, o titânio (e suas ligas) representa um certo desafio para os processos de fundição. A combinação de processos de fundição com prensagem isostática a quente tende a favorecer o aumento do uso dos processos de fundição como etapa inicial para a fabricação de produtos á base de titânio e suas ligas.              

Os produtos fundidos de titânio e suas ligas são utilizados principalmente nas seguintes aplicações: componentes de aeronaves, componentes submetidos a severas condições corrosivas e componentes navais.              

O titânio comercialmente puro, graus ASTM 1, 2 ou 3, é utilizado na maioria das aplicações que exigem elevada resistência à corrosão. A liga Ti-6Al-4V predomina nas aplicações aeronáuticas e navais e em 90 % dos produtos fundidos. É crescente o uso de liga Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo em condições de serviço em elevadas temperaturas. Outras ligas usadas em fundição são Ti-5Al-2,5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V e Ti-6Al-6V-2Sn. Cerca de 10 % dos produtos fundidos correspondem ao titânio comercialmente puro e a outras ligas de titânio.              

A maioria das ligas fundidas apresenta composição química baseada na das ligas trabalhadas mecanicamente. Não há ligas de titânio desenvolvidas exclusivamente para fundição, o que não ocorre em outros tipos de ligas (com base em outros metais), uma vez que o processo de fundição apresenta certas peculiaridades e o somatório desses fatores determina a fundibilidade de uma liga. Entretanto, no caso das ligas de titânio não foram encontrados problemas de fundibilidade em ligas desenvolvidas inicialmente para o trabalho mecânico.              

O principal fator que leva à escolha de uma liga de titânio fundida em vez de uma liga de titânio trabalhada é o custo de fabricação. Esta vantagem de menor custo é obtida mediante maior flexibilidade de projeto, melhor utilização do metal disponível e redução do custo de usinagem ou de conformação de peças.               

Ao contrário dos produtos fundidos de outros tipos de ligas, os produtos fundidos de ligas de titânio apresentam propriedades de resistência mecânica mais próximas das propriedades de resistência mecânica de ligas trabalhadas. Entretanto, a dutilidade dos produtos fundidos, geralmente medida pelo alongamento e pela redução em área em tração, é menor do que a dos produtos trabalhados. Por outro lado, a tenacidade à fratura e a resistência à propagação de trincas pode igualar, ou até mesmo superar, às propriedades correspondentes do material trabalhado. Apesar disso, a resistência à fadiga do titânio fundido é inferior à do titânio trabalhado. Em todo caso, pode ser melhorada por tratamentos térmicos e processamentos posteriores.                             

Processos de Fundição de Ligas de Titânio Os produtos fundidos de liga de titânio são fabricados por fusão a arco em vácuo, num cadinho de cobre resfriado a água. O metal líquido é então vazado num molde de revestimento (“investment casting”) ou num molde de grafite socada. A técnica de revestimento é semelhante à usada para superligas de níquel. Embora os moldes de grafite socada sejam diferentes dos moldes de revestimento, são similares aos moldes convencionais de areia, usando-se machos para fundir peças vazadas. Processos como fusão por feixe de elétrons e por arco plasma podem ser cada vez mais usados.               

Na fusão de titânio e suas ligas o problema mais significativo consiste em atingir suficientes níveis de superaquecimento de metal líquido para maximizar a fluidez e, conseqüentemente, o preenchimento do molde por metal líquido. Em muitos casos podem ser usadas mesas centrífugas, pré-aquecimento de molde, ou ambos, para garantir adequado preenchimento do molde. Outro problema típico na fundição do titânio é o surgimento de poros, que pode ser minimizado pelo uso de solda de reparo para fechar os defeitos de maior dimensão após prensagem isostática a quente, embora esse procedimento só seja adotado para peças aplicadas em situações mais críticas, como em componentes de aeronaves.              

O teor de oxigênio deve ser considerado com muita atenção no caso de fundição de titânio e suas ligas, uma vez que a resistência mecânica aumenta, porém a dutilidade e a tenacidade diminuem com o aumento do teor de oxigênio. O controle do teor de oxigênio em peças de titânio fundidas deve começar já na seleção da matéria-prima. O uso de lingotes de titânio comercialmente puro para refusão com baixo teor de oxigênio geralmente resulta em baixo teor de oxigênio na peça fundida. Ao serem usadas como parte da carga de matéria-prima de fundição, aparas e sucatas também devem ser controladas no que diz respeito ao teor de oxigênio e ao nível de impurezas segregadas.               

O processo de fundição em molde de grafite socada é o mais antigo entre os processos usados na fabricação de titânio e suas ligas. Este processo utiliza uma mistura de pó de grafite, ligantes e água que é socada contra um modelo para formar parte de um molde. Segmentos inpiduais de molde são então queimados e montados para serem usados no processo de fundição.               

Entretanto, a maioria das ligas fundidas de titânio aplicadas em componentes de alto desempenho é produzida pela técnica de fundição por revestimento. Neste caso, um modelo de cera é produzido e revestido por uma casca cerâmica. Depois que  molde está pronto, então a cera é derretida para ser eliminada, após o que pode ser usado no processo de fundição. No caso de peças pequenas, múltiplos modelos são usados ao mesmo tempo, para produzir várias peças ao mesmo tempo, aumentando a produtividade do processo. Esta técnica é indicada para a produção de implantes e outros tipos de dispositivos biomédicos, mas não é muito prática para a produção de componentes de aeronaves.              

Considerações de projeto de peças fundidas: no caso de fundição de ligas de titânio, os seguintes procedimentos são recomendados: a) O fornecedor e o comprador devem trabalhar juntos para identificar propriedades desejadas e assim definir o formato ideal; b) O projeto deve assegurar que o molde seja preenchido o mais completamente possível (solda de reparo, se necessária, deve ser limitada especificamente a regiões não críticas da peça); c) Complexidade desnecessária de ferramental deve ser evitada; d) Devem ser projetadas regiões de transição suave entre área finas e espessas, contendo filetes e adoçamentos generosos, assim como seções de paredes finas que permitam obter densidade máxima, minimizando a ocorrência de porosidade.              

Efeito da solda de reparo: soldagem de reparo é uma prática comum na fundição de ligas de titânio. Entretanto, como o titânio pode ser fragilizado ao entrar em contato com oxigênio e hidrogênio durante a soldagem, toda operação de soldagem de reparo em peças de titânio deve ser muito cuidadosa. Pode ser necessário algum tratamento térmico pós-soldagem de alívio de tensões.Prensagem Hidrostática a Quente              

Conhecido no idioma inglês como “Hot Isostatic Pressing”, e, portanto pela sigla HIP, sua função consistem em fechar os vazios existentes nas peças fundidas. Este processo deve ser realizado em altas temperaturas num meio não reativo como, por exemplo, atmosfera de argônio. A redução do nível de porosidade obtida por meio do emprego deste processo HIP permite aumentar significativamente a resistência à fadiga do material, propriedade mecânica essencial para certas aplicações.               O processo HIP começou a ser utilizado na produção de ligas de titânio fundidas já no final dos anos 1970. O método mais usual prevê aquecimento a 900 ° C por 2 horas sob atmosfera de argônio pressurizado a 105 MPa.              

Inicialmente o processo HIP foi utilizado com excelentes resultados para recupera peças rejeitadas após inspeção radiográfica. Os excelentes resultados obtidos estimularam o uso desta técnica na fabricação de rotina, porém o levado custo dificultou esse propósito. Entretanto, no caso de fundição de componentes aeronáuticos, dificuldades de alimentação de metal líquido (preenchimento do molde) provocam o surgimento de vazios de contração que só podem ser fechados por soldagem de reparo ou pela aplicação do processo HIP, que reduz a incidência de vazios sem os inconvenientes da soldagem de reparo, e a um custo que se justifica no caso de peças usadas em aplicações de alta responsabilidade. Acredita-se que o processo HIP pouco modifica as propriedades mecânicas dos componentes fundidos de liga de titânio, porém esse efeito aumenta à medida que a temperatura na qual se aplica o processo HIP aumenta em relação á temperatura beta transus e á temperatura de tratamento térmico pós-HIP. De qualquer modo, o processo HIP aumenta a homogeneidade de propriedades mecânicas e a confiabilidade dos produtos fundidos de liga de titânio, além de melhorar a qualidade estética desses produtos.

Adicionalmente, ao reduzir a porosidade subsuperficial, melhora a qualidade superficial do produto usinado, além eliminar o minimizar defeitos que poderiam atuar como sítios de nucleação de trincas de fadiga, melhorando assim à resistência à fadiga dos produtos fundidos de liga de titânio.              

Tratamento térmico – Após a fundição, mas antes da aplicação do HIP, deve ser realizada uma etapa de tratamento de alívio de tensões, que deve ser seguida por um tratamento de solubilização em temperatura igual ou superior à temperatura de aplicação do processo HIP, sendo esta temperatura próxima ou talvez superior à temperatura beta transus. Um tratamento térmico típico para a liga Ti-6Al-4V consiste em solubilizar no campo beta em vácuo a 1038 °C (variando no máximo 4 °C acima e abaixo) por 2 a 3 horas seguido por resfriamento rápido em óleo. Esta seqüência é seguira por superenvelhecimento em vácuo a 704 °C (variação idêntica) por 2,5 a 3 horas, após o que é feito resfriamento em forno com proteção gasosa de argônio até a temperatura ambiente. Este processo completo é conhecido como solubilização beta/ superenvelhecimento.              

Um tratamento mais convencional para a mesma liga Ti-6Al-4V consiste numa solubilização no campo bifásico alfa+beta por meio de aquecimento a 954 °C por 1 hora seguido por resfriamento em gás inerte circulante (ventilador), e por envelhecimento a 621 °C por 2 h.               

O tratamento de alívio de tensões é realizado em temperatura inferior á temperatura de aplicação do processo HIP, tipicamente na faixa de 704 a 843 ºC por 2 horas. Esse tipo de tratamento não produz nenhum efeito significativo na microestrutura fundida, embora altere a microestrutura da liga trabalhada. Os tratamentos devem ser sempre realizados em vácuo ou em atmosfera inerte de modo a minimizar a oxidação. Deve ser levado em consideração o fato de que algumas peças fundidas apresentam dimensões tão grandes que o resfriamento ocorre de modo tão lento a ponto de tornar desnecessário um tratamento de alívio de tensões.Propriedades Mecânicas de Peças Fundidas de Ligas de Titânio              

As peças fundidas de liga de titânio apresentam resistência mecânica semelhante à das peças trabalhadas mecanicamente, porém sua dutillidade é muito inferior, embora esteja acima dos limites mínimos especificados para as peças trabalhadas. A tabela 3.1 apresenta valores de algumas propriedades mecânicas das ligas de titânio fundidas mais utilizadas pela indústria aeronáutica:Tabela 3.1 – Propriedades mecânicas de ligas de titânio fundidas à temperatura ambiente.