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Propriedades
Físicas e Químicas do Titânio
O titânio e suas ligas apresentam propriedades interessantes: baixa densidade
(massa específica da ordem de 4,5 g/cm3), boa resistência mecânica à tração
(entre 200 e 1370 MPa, comparável à de muitos aços ligados), excelente resistência
à corrosão (garantida pela formação de uma camada passivada de TiO2) e relativa
abundância na natureza (é o nono metal mais abundante), geralmente sob a
forma de minerais oxidados. Seu número atômico é 22, e sua massa atômica
é 47,88 u.m.a., sendo um metal de transição. À temperatura ambiente apresenta
um reticulado hexagonal compacto (HCP, razão c/a = 1,587, parâmetro de rede
= 3,3065 angstrom) que, quando puro, acima de 882 °C transforma-se num reticulado
cúbico de corpo centrado (CCC). O ponto de Afusão do titânio puro é 1724
°C, portanto superior ao do ferro (cerca de 1520 °C) e muito superior ao
do alumínio (660 °C). Sua condutividade térmica é baixa, pois corresponde
a apenas 93 % da condutividade térmica do aço inoxidável e a 12,5 % da condutividade
térmica do alumínio. O titânio também apresenta baixo coeficiente de expansão
térmicas linear, da ordem de 64 % do coeficiente de expansão térmica linear
do aço e 39 % do alumínio. Do mesmo modo, o titânio não é um bom condutor
de energia elétrica, pois sua condutividade elétrica é da ordem de 3,1 %
da condutividade elétrica do cobre, enquanto no aço esse valor chega a 3,5
% e no alumínio 30 %. O titânio é levemente paramagnético, assim como outros
metais de transição, ou seja, não é ferromagnético como o ferro-alfa (cúbico
de corpo centrado). Do ponto de vista de valência eletrônica, o titânio
pode ser bi, tri ou tetravalente, ou seja, podem ser formados íons Ti+2,
Ti+3 e Ti+4. O titânio apresenta elevada afinidade pelo oxigênio, com o
qual reage em condições normais de temperatura e pressão para formar uma
série de óxidos com diferentes composições estequiométricas desde TiO até
Ti7O12, embora seja comumente encontrado sob a forma de dióxido de titânio
(TiO2). Também pode reagir com o hidrogênio para formar hidretos do tipo
TiH [3].
Propriedades Mecânicas
O titânio comercialmente puro apresenta tensão limite de resistência à
tração variando entre 240 e 690 MPa. A dutilidade do titânio comercialmente
puro varia de um alongamento de 20 a 40 % e a redução de área vária entre 45
e 65 %, dependendo dos teores de elementos intersticiais. Adições de
elementos de ligas em teores expressivos aumentam a resistência mecânica em
comparação com o titânio comercialmente puro. Estes elementos de liga, como
Al, V, Cr, Fe, Mn e Sn, são adicionados tanto em sistemas binários como em
sistAemas ternários e mais complexos em geral. Por outro lado,
simultaneamente ao aumento de dureza/resistência mecânica, ocorre redução de
dutilidade. As ligas de titânio podem atingir tensão limite de resistência à
tração superior a 1370 MPa com dutilidade satisfatória (alongamento de até
15 %). Porém, comercialmente estão disponíveis ligas de titânio com
resistência à tração na faixa de 690 a 1030 MPa, fundidas em forno de
indução e depois trabalhadas mecanicamente, que possuem dutilidade
satisfatória (alongamento de 10 a 20 %). Ligas fundidas por indução, e
depois trabalhadas, podem atingir resistência à tração ainda mais elevada,
porém com baixa dutilidade, o que restringe bastante o campo de aplicações
destas ligas produzidas por este processo.
O módulo de
elasticidade do titânio comercialmente puro é da ordem de 103 GPa, porém nas
ligas de titânio o módulo de elasticidade é mais alto, chegando a 124 GPa,
sendo portanto valores mais elevados do que os das ligas de alumínio (70 GPa)
e magnésio (43 GPa), porém inferiores aos dos aços (205 GPa). O módulo de
cisalhamento do titânio e de suas ligas, do mesmo modo, atinge valores
intermediários entre os do alumínio e do aço, variando entre 34 e 48 GPa.
A dureza do titânio é bem mais alta do que a do alumínio e se aproxima da
dureza encontrada em alguns aços termicamente tratados. A dureza Vickers do
titânio comercialmente puro varia entre 90 e 160 HV, enquanto a dureza de
ligas de titânio termicamente tratadas varia entre 250 e 500 HV. Uma liga de
titânio comercial típica, com tensão limite de resistência ao escoamento da
ordem de 895 MPa atinge dureza da ordem de 320 HV ou 34 HRC (dureza Rockwell
C).
A tenacidade ao
impacto do titânio e de suas ligas é boa, enquanto sua resistênciAa à fadiga
pode ser considerada muito boa. O titânio comercialmente puro não apresenta
boa resistência à fluência, porém ligas de titânio podem apresentar melhor
resistência à fluência, melhorada pelo trabalho mecânico a frio.
O aumento da temperatura provoca queda de resistência à fluência, à fadiga,
de dureza, de resistência à tração e ao escoamento, como esperado, apesar
de, em geral, aumentar a dutilidade e a tenacidade. O efeito da temperatura
no módulo de elasticidade é praticamente desprezível.
Por outro lado o trabalho a frio aumenta a resistência mecânica/dureza. O
aumento de temperatura de trabalho, que provoca rápida queda de resistência
mecânica no alumínio, apresenta este efeito, porém de modo mais lento, no
titânio e suas ligas. [3].
Características do Titânio e suas ligas
O titânio comercialmente puro e as ligas monofásicas alfa apresentam as
melhores características de resistência à corrosão e também são os materiais
à base de titânio mais facilmente soldados. O titânio comercialmente puro
apresenta um pequeno teor de oxigênio residual, o qual afeta sua resistência
mecânica. As ligas monofásicas alfa em geral apresentam elevados teores de
alumínio, que contribuem para aumentar a resistência à oxidação em altas
temperaturas. As ligas bifásicas alfa-beta também apresentam elevados teores
de alumínio, porém com a principal função de estabilizar a fase alfa. Sendo
monofásicas as ligas alfa não podem ser tratadas termicamente com o objetivo
de aumentar a resistência mecânica/dureza. A adição de determinados teores
de certos elementos permitem às ligas, no campo bifásico alfa-beta em
temperaturas mais altas, serem termicamente tratadas e processadas. No campo
bifásico é possível o refino dos grãos, e, ao permitir uma certa quantidade
de fase beta residual temporariamente em temperaturas maAis baixas, favorece
um controle otimizado de microestrutura durante a transformação subseqüente,
quando as ligas são “envelhecidas” após resfriamento a partir da temperatura
de solubilização ou de forjamento.
As ligas bifásicas
alfa-beta, quando adequadamente tratadas, apresentam uma excelente
combinação de resistência mecânica e dutilidade, sendo mais resistentes do
que as ligas monofásicas alfa e beta. As ligas beta são metaestáveis, ou
seja, tendem, em condições de equilíbrio termodinâmico a se transformarem em
ligas bifásicas. Nestas ligas beta a resistência mecânica mais elevada advém
do endurecimento por solução sólida ou da precipitação controlada da fase
alfa através de tratamento térmico e processamento mecânico adequados. A
característica mais interessante destas ligas beta é a sua maior
conformabilidade em comparação com as ligas monofásicas alfa e as ligas
bifásicas alfa+beta [2].
Aplicações do Titânio e suas ligas
Embora possuam menor resistência em altas temperaturas do que as superligas
de níquel, componentes (discos, palhetas e etc) de ligas de titânio podem
ser usados em determinados tipos de aplicação (temperaturas menos elevadas)
em turbinas de jatos, com melhor correlação resistência mecânica / peso.
Outra característica favorável do titânio e de suas ligas para esse tipo de
aplicação é seu baixo coeficiente de expansão térmica em comparação com
outros tipos de ligas metálicas. Para esse tipo de aplicação as ligas de
titânio mais recomendadas são as bifásicas alfa+beta, como as ligas
Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo, esta última também
conhecida como Ti-17.
Além do uso em
componentes de turbinas, as ligas de titânio também podem ser usadas na
Aestrutura das aeronaves. Na faixa de temperaturas de 150 a 500 °C as ligas
de titânio são os materiais mais adequados. As ligas de titânio apresentam
densidade (peso específico) e resistência mecânica intermediárias entre as
ligas de alumínio e os aços. Ligas de titânio indicadas para este tipo de
aplicação são: Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2,5V, Ti-662 (Ti-6Al-6V-2Sn-0,5Cu-0,5Fe),
em componentes como dutos de ar condicionado, eliminadores de gelo, suportes
de asas, suportes de motores e diversos tipos de prendedores.
Ligas de titânio
também podem ser usadas na fabricação de componentes navais, como palhetas
de turbinas a vapor, conectores, eixos de transmissão, molas em motores de
alto desempenho, braços de suspensão e barras de torção. As ligas de titânio
apresentam elevada resistência à corrosão causada pela água do mar e por
isso são bastante adequadas para esse tipo de aplicação, na qual se
sobressai a liga Ti-6Al-4V.
Outro tipo de
aplicação interessante para as ligas de titânio está na fabricação de
trocadores de calor, devido à sua boa resistência à corrosão causada pela
maioria dos agentes corrosivos atuantes neste tipo de aplicação, seja em
tubos ou placas.
Na indústria do petróleo é aproveitada a excelente resistência à corrosão do
titânio e de suas ligas para a fabricação de componentes que entram em
contato com a água do mar, que, além de cloretos, também contém gás
sulfídrico (H2S). Especialmente na fabricação de trocadores de calor usados
em plataformas de extração de petróleo as ligas de titânio oferecem
excelente combinação de resistência à corrosão, boa resistência mecânica e
baixa densidade. Também são usadas na fabricação de equipamentos usados no
resfriamento de gás e óleo. Do mesmo modo, refinarias de petróleo podem
A
aproveitar essas propriedades das ligas de titânio para aplicações
semelhantes nas quais essas ligas ficam em contato com essas substâncias
corrosivas. Também na indústria química as ligas de titânio são usadas em
equipamentos para a fabricação de cloro, cloretos, cloratos, hipocloritos,
sais, gases e produtos orgânicos, devido à sua excelente resistência à
corrosão. O titânio e suas ligas são atacados por ácidos tais como o
sulfúrico, o clorídrico e o fosfórico, que geram íons H+, porém a presença
de oxigênio leva à formação de uma camada passivada que reduz bastante a
taxa de corrosão. O titânio também pode ser usado em substituição à grafite
como anodo para a produção de cloro por eletrólise, devido principalmente à
sua grande estabilidade dimensional. Pode ser usado, de um modo geral, em
tubos, trocadores de calor, bombas, válvulas e vasos usados na fabricação de
diversos produtos orgânicos, como ácido acético, benzóico, málico e aminas
etilênicas.
Mais recentemente tem
aumentado o uso de titânio e suas ligas para a fabricação de implantes
cirúrgicos ortopédicos e dentais, pois além das excelentes propriedades
mencionadas anteriormente no caso de outros tipos de aplicação, o titânio e
suas ligas apresentam excelente biocompatibilidade, ou seja, neste tipo de
aplicação apresentam melhor osteointegração (integração ao tecido ósseo) e
menor risco de alergia e reações adversas com o organismo do que outros
materiais metálicos, como, por exemplo, o aço inoxidável austenítico
AISI-SAE 316 L, cujo elevado teor de níquel pode provocar reações alérgicas.
Outra vantagem do titânio e de suas ligas é o menor módulo de elasticidade
(rigidez), mais próximo do osso humano do que o do aço inoxidável. Uma das
ligas mais utilizadas para a fabricação de implantes é a liga Ti-6Al-4V,
que, entretanto, devidAo ao seu elevado teor de vanádio, elemento pouco
biocompatível, pode ser substituída por outras ligas como a liga Ti6Al-7Nb
e, até mesmo, as chamadas ligas beta [4].
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