Metalurgia do Pó

Embora geralmente apresente boa durabilidade, que favoreceria sua utilização em diferentes tipos de aplicação, as ligas de titânio são usadas com menor freqüência do que seria esperado, devido ao seu custo de fabricação mais elevado do que o de outros materiais. Fabricação no caso envolve extração, fundição, processamento mecânico e usinagem. Por esse motivo tem crescido o uso de processos que produzem peças com formato próximo do formato final (“near net shape”) como a metalurgia do pó, que pode permitir a produção de peças com propriedades mecânicas compatíveis, ou até mesmo superiores às de peças produzidas por fundição e processamento mecânico. Isso é possível devido à ausência de texturas e segregações, e à microestrutura de grãos finos resultante da produção de ligas de titânio por metalurgia do pó. Níveis de resistência mecânica equivalentes com redução de custo de usinagem e de geração de sucata tornam os produtos de titânio fabricados por metalurgia do pó alternativas atraentes aos produzidos por fundição e processamento mecânico convencionais. Por outro lado, de modo a ampliar o uso da metalurgia do pó na fabricação de produtos de titânio e suas ligas, é necessário reduzir o custo do pó metálico, assim como melhorar os procedimentos de fabricação e as técnicas de ensaios não destrutivos.

Diversas ligas de titânio podem ser obtidas por metalurgia do pó, entre as quais: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo e Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo. Apesar dessa variedade, cerca de 90 % dos esforços de desenvolvimento de metalurgia do pó se concentram na liga Ti-6Al-4V, embora seja crescente o desenvolvimento da liga beta metaestável Ti-10V-2Fe-3Al.

Como no caso das ligas fundidas, a composição química das ligas de titânio produzidas por metalurgia do pó baseia-se na composição das ligas trabalhadas, inexistindo composições específicas para metalurgia do pó. Isso se deve ao fato de se aproveitar o conhecimento já existente sobre ligas com composições conhecidas e à disponibilidade de matéria-prima no mercado. Entretanto, a metalurgia do pó oferece a vantagem de permitir o processamento de ligas com composições diferentes das ligas obtidas por outros processos.

Processos de Produção de Ligas de Titânio por Metalurgia do Pó

Os componentes de ligas de titânio fabricados por metalurgia do pó podem ser produzidos por dois tipos diferentes de processos: 1) Método de mistura de pós elementares; 2) Método de produção de pós pré-ligados. O primeiro processo se baseia na prensagem (isostática) a frio e na sinterização, resultando em produtos com custo de fabricação relativamente menor e boa resistência mecânica, tenacidade à fratura e resistência à propagação de trincas, porém com resistência à fadiga um pouco inferior. Por outro lado, produtos pré-ligados a partir de pós compactados e sinterizados apresentam densidade plena e boas propriedades mecânicas, incluindo a resistência à fadiga. Componentes produzidos a partir de pós elementares misturados são relativamente baratos e podem ser adequados para aplicações de menor responsabilidade. Já o método de pós pré-ligados foi concebido para produzir componentes de alto desempenho em formatos complexos.

O processo de produção de componentes de ligas de titânio a partir de pós pré-ligados está sendo adaptado para incluir pós de ligas rapidamente solidificadas, o que aumenta a variedade de ligas a serem produzidas.

Processo de Fabricação de Pós

A elevada reatividade do titânio limita a aplicação dos processos de produção de pós metálicos aos processos não tradicionais de alto custo. Ao contrário dos processos de fabricação de superligas de níquel a partir de pós, que permitem o uso da atomização para a produção de pós, as ligas de titânio só podem ser produzidas por duas variantes do processo de atomização centrífuga, que são: 1) Processo do eletrodo rotativo (“Rotating electrode process, em inglês, com sigla: “REP”); 2) Processo de eletrodo rotativo com plasma (“Plasma rotating electrode process”, em inglês, com sigla: “PREP”).

O processo de eletrodo rotativo usa um arco elétrico (formado a partir de um eletrodo de tungstênio) para fundir o titânio ou liga de titânio a partir de uma matéria-prima rotativa. O metal líquido é rapidamente recolhido sob a forma de gotas que resfriam em contato com a atmosfera, as quais na forma endurecida são coletadas no fundo de uma câmera. No processo PREP o arco plasma é utilizado para fundir a matéria-prima rotativa. A principal característica de ambos os processos é sua capacidade de reter baixos teores de elementos intersticiais com contaminação mínima. A vantagem do processo PREP sobre o processo REP consiste em evitar a presença de inclusões de tungstênio proveniente do eletrodo. Os pós produzidos por ambos os processos são mais grosseiros do que os pós de superligas de níquel, além de serem aproximadamente esferoidais no seu formato. Outros métodos, além dos dois descritos anteriormente, já foram propostos para a produção de pós de ligas de titânio, mas sua utilização ainda não é corrente. Estes outros métodos são: 1 – Pó sob vácuo; 2 – Fundição contínua de partículas; 3 – Hidrogenação e cadinho Colt; 4 Gota pendente.

Alguns esforços têm se direcionado para a produção de pós pré-ligados por processos químicos e outras técnicas totalmente diferentes também têm sido consideradas, porém, ainda é necessário desenvolver novas técnicas que produzam pós relativamente baratos e com alta qualidade, que permitam a expansão do mercado de produtos de titânio fabricados por metalurgia do pó.

Para os pós pré-ligados, alguns processos foram desenvolvidos para melhorar o desempenho do produto final, através da remoção de contaminantes ou de ajuste da microestrutura final. Estes incluem: 1 – Classificação em jato; 2 – Separação eletrostática; 3 – Desgaseificação eletrodinâmica.

A caracterização de ambas as partículas de pós como produzidas e as partículas de contaminação, que podem estar presentes na etapa em que o pó ainda não está consolidado, pode ajudar muito no controle de qualidade. Já foi devidamente constatado e demonstrado que tanto a microestrutura básica como a presença de contaminantes influi nas propriedades mecânicas, principalmente na resistência à fadiga. Um método bastante útil para separar partículas de contaminantes para posterior classificação (mas não para limpeza) é a separação gravimétrica com água, que permite diferenciar as partículas com base em sua densidade (massa específica).

Processos de Consolidação de Pós

Processos em Geral

Três tipos de processos de consolidação de pós de ligas de titânio podem produzir componentes compactos com plena densidade:

1 – Prensagem isostática a quente (“Hot isostatic pressing” com sigla HIP em inglês);
2 – Consolidação por prensagem;
3 – Prensagem a quente em vácuo (“Vacuum hot pressing” com sigla VHP em inglês).

Destes três processos o mais comum é o HIP, geralmente realizado em autoclave ou em um vaso de pressão. Ao aplicar-se temperatura e pressão elevadas simultaneamente, consegue-se densidade plena no produto, obtida pela transmissão da pressão aplicada.

A consolidação por prensagem permite rápida compactação dos pós (mesmo em baixas temperaturas) dentro de um molde em vácuo. São atingidas elevadas pressões e com alguns projetos (“designs”) de matrizes é possível alcançar densidade total (100 %) após prensagem e sinterização. Um exemplo de projeto de matriz é o de matriz fluidizada.

O pó também pode ser compactado por prensagem a quente em vácuo. Neste processo o pó é compactado a quente numa prensa de forjamento que é adaptada para operar com um sistema de vácuo. A matriz prensa o pó numa peça com formato desejado e 100 % de densidade. As principais desvantagens deste processo são a falta de flexibilidade de formatos de peças que podem ser produzidas e as limitações de tamanhos de peças que podem ser obtidas.

O processo HIP utiliza o mesmo equipamento de consolidação que permite fechar os poros presentes em peças fundidas, embora as condições de temperatura e pressão sejam diferentes. A prensagem isostática a frio (“Cold isostatic pressing” com sigla CIP em inglês) é de algum modo semelhante ao processo HIP, embora menos elaborada e menos cara. Pode ser realizada também à temperatura ambiente. Peças com formato relativamente complexo podem ser produzidas pelo processo CIP, cujos moldes são menos caros do que os do processo HIP. No caso do processo CIP o vácuo é necessário para se atingir 95 a 99 % de densidade, enquanto no caso do processo HIP o mesmo tipo de vácuo permite obter 100 % de densidade.

A maioria das variantes do processo HIP utiliza moldes metálicos e permite obter peças com geometria relativamente complexa. O molde metálico é conformado por processos de conformação mecânica de chapas de modo a se obter o formato mais adequado. O material mais adequado para a confecção destes moldes é o aço carbono, que reage pouco com o titânio, com o qual forma carbeto de titânio, o qual inibe o prosseguimento da reação.

Pós Elementares Misturados

Os principais métodos de compactação dos pós elementares misturados são a prensagem isostática a frio (CIP) e a consolidação por prensagem. Estes métodos podem ser seguidos por sinterização de modo a se atingir 95 % de densidade, embora também possam ser seguidos por HIP de modo a alcançar densidade de quase 100 %. A aplicação de processos como CIP, CIP mais sinterização e CIP mais sinterização mais HIP (CHIP) tem crescido.

O menor custo do método dos pós elementares misturados se deve aos requisitos menos exigentes de matéria-prima e ao menor tempo de manuseio e processamento, porém este método implica em aceitar densidade inferior a 100 % no produto final.
Neste método os pós elementares que compõem a liga são misturados e depois consolidados. O pó de titânio vem de finos de esponja, geralmente subproduto particulado produzido durante a conversão do minério a lingote. Estes pós aciculares baratos custam pouco mais do que a esponja de titânio.

Pós Pré-ligados

O principal método de consolidação dos pós pré-ligados é o processo HIP, embora já tenham sido avaliados outros processos como a compactação fluida em matriz e a prensagem a quente em vácuo. Entretanto, por causa do custo envolvido, esses métodos (e outros similares) têm se limitado à produção de peças com formato próximo do formato final (“near net shape” em inglês). Contudo, considerações de ordem prática no que se refere à complexidade do componente podem afetar o volume a geometria do produto final.

Pode ser realizado o processamento mecânico direto dos pós pré-ligados, o que também é possível no caso de pós elementares misturados. Placas e barras podem ser produzidas, embora o custo possa ser questionado. O uso de pré-formas para forjamento subseqüente também pode ser considerado.
Inovações similares têm sido avaliadas para o processamento de pós de ligas de titânio. No caso da liga beta Ti-10V-2Fe-3Al as propriedades podem ser iguais ou superiores às obtidas pelo processamento tradicional de fundição e conformação mecânica. O uso de pré-formas confere maior confiabilidade no que se refere às propriedades obtidas após processamento de ligas de titânio por metalurgia do pó, pois um certo grau de deformação mecânica permite obter maior uniformidade de microestrutura e propriedades no produto final.

Fabricação de Peças com Formato Complexo

Pós Elementares Misturados

A prensagem isostática a frio com moldes elastoméricos permite produzir peças com formato bastante complexo, como é o caso de propulsores de jatos. Como o molde é elastomérico, e não uma matriz dura, não há necessidade do uso de lubrificantes, o que permite eliminar um tratamento pré-sinterização para remoção de lubrificante que poderia causar contaminação na peça. Uma desvantagem desse processo é a limitação de dimensões que podem ser obtidas no produto final. Uma vantagem é a possibilidade de fabricar peças com menor peso do que as peças semelhantes que podem ser produzidas por outros processos. A consolidação por prensagem não é limitada pelo tamanho, pois prensas com capacidade de até 50.000 toneladas podem ser adquiridas em alguns países. Conseqüentemente, uma peça com área de quase 13.000 cm2 pode ser produzida por este processo. Entretanto, peças com formato muito complexo não podem ser produzidas por prensagem, isostática a frio. Não há ainda precisão quanto aos dados relativos à tolerância dimensional que pode ser obtida, mas estima-se que possa chegar a 0,001 mm/mm em comprimento.

Pós Pré-ligados

Peças com geometria complexa podem ser produzidas principalmente pelo processo HIP ou por sua variação HIP com molde cerâmico do tipo cadinho Colt. Esta variante apresenta certa semelhança com o processo “investment casting” (molde revestido). Do mesmo modo, são confeccionados modelos em cera a partir do qual um molde cerâmico é feito. Após a remoção da cera por aquecimento, o molde é evacuado, desgaseificado e selado (de modo semelhante ao que é feito com os moldes metálicos no processo HIP tradicional). O molde selado é então submetido ao processo HIP, permitindo obter peças com formato mais complexo (como, por exemplo, componentes aeronáuticos) do que os produtos fabricados pelo processo HIP tradicional. Uma vantagem considerável sobre processos mais tradicionais, como o forjamento, é a eliminação de uma etapa posterior de usinagem.

Posteriormente o processo HIO com cadinho Colt se desenvolveu para permitir a fabricação de peças com maiores dimensões e formatos ainda mais complexos, como rotores de compressores de jatos, eliminando totalmente a etapa de usinagem, restando somente o acabamento químico. A redução de custos de fabricação pode atingir até 34 %. É um processo que pode ser também usado na fabricação de componentes não utilizados na indústria aeronáutica, como, por exemplo, implantes cirúrgicos ortopédicos, do tipo prótese femoral e outros [2].