As ligas de titânio são termicamente tratadas com os seguintes propósitos: a) Reduzir as tensões residuais desenvolvidas durante a fabricação, tratamento popularmente conhecido como alívio de tensões; b) Resultar numa adequada combinação de dutilidade, usinabilidade, estabilidade dimensional e estrutural (especialmente no caso de ligas alfa-beta processadas em condições que não favorecem boa combinação de propriedades mecânicas), tratamento denominado recozimento; c) Aumentar a resistência mecânica por solubilização e envelhecimento (endurecimento por precipitação) ; d) Otimizar certas propriedades especiais como tenacidade á fratura, resistência á fadiga e à fluência, neste caso em elevadas temperaturas.
A resposta do titânio e de suas ligas ao tratamento térmico depende da composição química do material bem como da presença das diferentes microestruturas (fases alfa, beta ou alfa-beta).

As liga alfa e quase alfa podem ser submetida a tratamento de alívio de tensões, porém elevada resistência mecânica não pode ser obtida com este tipo de tratamento. Algumas das ligas quase alfa, como por exemplo, a liga Ti-8Al-1Mo-1V, podem ser solubilizadas e envelhecidas de modo a se obter dureza máxima. Este tipo de tratamento também pode ser utilizado em ligas alfa-beta para a obtenção de dureza máxima. Em ligas comerciais beta metaestáveis tratamentos térmicos de alívio de tensões e de envelhecimento podem ser combinados e também recozimento e solubilização podem ser operações idênticas.

Nem todos os tipos de tratamentos térmicos são aplicáveis a todas as ligas de titânio, pois elas são projetadas para diferentes tipos de aplicações, umas para elevada resistência mecânica em peças pesadas (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, a chamada Ti-17 e a Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo), outras para resistência à fluência (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo), outras para resistência à corrosão sob tensão em soluções salinas aquosas e para alta tenacidade à fratura (Ti-6Al-2Nb-1Ta-1Mo e Ti-6Al-4V-ELI), para soldabilidade (Ti-5Al-2,5Sn) e para alta resistência mecânica em temperaturas de moderadas para baixas (Ti-6al-6V-2Sn, Ti-6Al-4V e Ti-10V-2Fe-3Al).

Os ciclos térmicos efetivamente aplicados para cada liga podem variar. Qualquer tratamento térmico em temperaturas da ordem de 427 ºC deve prover ao titânio a formação de uma atmosfera protetora que evita a absorção de oxigênio ou nitrogênio e a formação de camadas de óxidos indesejáveis.

Alívio de Tensões

O titânio e suas ligas podem ser submetidos a tratamentos térmicos de alívio de tensões sem efeitos adversos à resistência mecânica e à dutilidade. Esse tipo de tratamento reduz as tensões residuais indesejáveis que resultam de:

a) Deformação não uniforme de forjamento a partir da conformação a frio e endireitamento;
b) Usinagem assimétrica de placas ou peças forjadas;
c) Soldagem de artigos fundidos ou trabalhados e resfriamento de peças fundidas.

A remoção dessas tensões ajuda a manter a estabilidade de forma e elimina condições desfavoráveis como a perda de resistência ao escoamento em compressão, comumente conhecida como efeito Bauschinger.
O alívio de tensões pode ser incorporado a outros tipos de tratamentos térmicos, como o recozimento, por exemplo. O envelhecimento também pode aliviar tensões residuais.

A tabela 4.1 apresenta combinações de temperatura e tempo usados para alívio de tensões de titânio e suas ligas. As faixas de valores, tanto para temperaturas quanto para tempos, indicam que mais de uma combinação pode produzir resultados satisfatórios. Em geral, para um efetivo alívio de tensões, utiliza-se temperaturas elevadas em tempos curtos, e temperaturas mais baixas em tempos mais longos. Durante o alívio de tensões de ligas de titânio solubilizadas e envelhecidas deve ser tomado cuidado para evitar o superenvelhecimento, que reduziria a resistência mecânica. Geralmente este fato induz a seleção de uma combinação de temperatura e tempo que promove apenas alívio parcial de tensões. Estruturas montadas devem ser colocadas dentro do forno na temperatura e tempo selecionados para o alívio de tensões. Se o componente está montado numa estrutura grande, um termopar deve ser colocado na maior peça da estrutura.

Tabela 4.1 - Temperaturas e tempos de Tratamentos Térmicos de Alívio de Tensões de Titânio e suas Ligas.

Ti Comercialmente
Puro (Todos os Graus)                  

480 - 595                  

1/4 - 4

Ti-5Al-2,5Sn

540 – 650

1/4 – 4

Ti-8Al-1Mo-1V                  

595 – 705                  

1/4 – 4

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo                  

595 – 705                  

1/4 - 4

Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo                  

595 – 650                  

1/4 – 2

Ti-0,3Mo-0,8Ni                  

480 – 595                  

1/4 - 4

Ti-6Al-4V                  

480 – 650                  

1 - 4

Ti-6Al-6V-2Sn (Cu+Fe)                  

480 – 650                  

1 - 4

Ti-3Al-2,5V                  

540 – 650                  

1/2- 2

Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo                  

595 – 705                  

1/4- 4

Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr (Ti-17)                  

480 – 650                  

1 – 4

Ti-7Al-4Mo                  

480 – 705                  

1 - 8

Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0,25Si                  

480 – 650                  

1 – 4

Ti-8Mn                  

480 – 595                  

1/4- 2

Ti-13V-11Cr-3Al                  

705 – 730                  

1/12- 1/4

Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn (Beta III)                  

720 – 730                  

1/12- 1/4

Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (Beta C)                  

705 – 760                  

1/6- 1/2

Ti-10V-2Fe-3Al                  

675 – 705                  

1/2- 2

Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn                  

790 - 815                  

1/12- 1/4

A taxa de resfriamento a partir da temperatura de alívio de tensões não é crítica. Por outro lado, a uniformidade de resfriamento é crítica, particularmente no intervalo de temperaturas entre 480 e 315 ºC. Não devem se usados água e óleo como meios de têmpera (resfriamento acelerado), porque isso pode causar tensões residuais induzidas por resfriamento desigual. Tanto o resfriamento ao ar como o resfriamento em forno são aceitáveis para esses materiais.

Tratamentos térmicos de alívio de tensões devem se basear na resposta da liga que está sendo tratada. De um modo geral isso envolve a manutenção de uma temperatura suficientemente alta para aliviar as tensões, porém sem causar precipitação indesejável, induzida ou não por deformação, em ligas alfa-beta e beta, ou sem produzir recristalização indesejável nas ligas monofásicas, que dependem do encruamento para atingir resistência mecânica satisfatória.

O alívio de tensões das ligas alfa-beta mais concentradas, e das ligas beta, deve ser feito com uma exposição térmica compatível com os processos de recozimento, solubilização, estabilização ou envelhecimento.

Não existem métodos de ensaios não destrutivos alternativos para medir a eficiência de um ciclo térmico de alívio de tensões como a medição direta de tensões residuais por difração de raios X. Nenhuma modificação microestrutural significativa, causada pelo tratamento de alívio de tensões, pode ser detectada por microscopia ótica.

As temperaturas usadas para o alívio de tensões de soldas complexas de ligas alfa e alfa-beta devem estar próximas aos valores mais elevados mostrados na tabela 4.1. Soldas complexas podem se definidas como aquelas que apresentam múltiplos passes em configurações complexas, possivelmente envolvendo combinações de processos de soldagem manuais e automatizados. No caso de soldagem complexa de titânio comercialmente puro, liga Ti-5Al-2,5Sn ou Ti-6Al-4V, mais de 70 % das tensões residuais são aliviadas durante a primeira hora de tratamento na temperatura especificada. Por outro lado, soldas simples de titânio comercialmente puro são utilizadas sem alívio de tensões posterior.

Recozimento

Generalidades

O termo “recozimento” é bastante genérico e deste modo às vezes é aplicado no caso de solubilização, assim como no caso de recozimento para recristalização, geralmente após operações de conformação mecânica. Até mesmo o alívio de tensões por vezes é denominado recozimento para alívio de tensões. Por este motivo, neste texto será utilizado o termo recozimento de processo, encurtado para recozimento, para designar os tratamentos térmicos que têm por objetivo aumentar a tenacidade, a dutilidade à temperatura ambiente, e a estabilidade térmica e dimensional, e, em alguns casos, a resistência à fluência.

Como os tratamentos de recozimento de processo são menos controlados que os tratamentos de solubilização e envelhecimento, apresentam maior variabilidade de resultados. Muitas ligas de titânio são colocadas em serviço na condição recozida. Como todo tratamento térmico, ao melhorar uma determinada propriedade, prejudica outra, o ciclo térmico de recozimento deve ser definido em função do objetivo do tratamento. Os tipos de recozimento de processo mais comuns são: a) Recozimento de laminação; b) Recozimento de recristalização; c) Recozimento para obtenção de fase beta. De vez em quando podem ser realizados recozimentos múltiplos, geralmente denominados recozimentos duplex e triplex. Esse tipo de tratamento é freqüentemente usado em conjunção com a solubilização e o envelhecimento. Em geral o recozimento duplex não ocorre no contexto do recozimento de processo.

O recozimento de laminação é um tratamento geral aplicado a todos os tipos de produtos laminados. Não é um recozimento pleno e pode deixar traços de microestrutura trabalhada a frio ou a quente em produtos severamente deformados, como por exemplo, chapas. Tratamentos de recozimento para recristalização são utilizados para aumento de tenacidade. Neste caso, a liga é aquecida nas temperaturas mais elevadas do campo bifásico alfa-beta e mantida nestas temperaturas por algum tempo, até ser resfriada muito lentamente. O recozimento para obtenção de fase beta envolve um resfriamento lento a partir de temperaturas acima da temperatura beta transus da liga que está sendo recozida. Alguns tratamentos térmicos representativos de titânio e suas ligas são apresentados na tabela 4.2.

Tabela 4.2 - Tratamentos de Recozimento Selecionados para Titânio e suas Ligas

O endireitamento, o ajuste de tamanho e o achatamento podem ser combinados com o recozimento (ou alívio de tensões) através do uso de equipamentos adequados. As peças, separadas ou agrupadas, podem ser carregadas diretamente no forno que opera à temperatura de recozimento.
Tanto o resfriamento ao ar quanto o resfriamento no forno podem ser usados, porém os resultados, em termos de níveis de propriedades mecânicas, serão diferentes para cada método de resfriamento. Se a distorção da peça for um problema considerável, a taxa de resfriamento deverá ser reduzida.

Estabilidade

Nas ligas de titânio alfa-beta a estabilidade térmica é função das transformações na fase beta. Durante resfriamento a partir da temperatura de recozimento, a fase beta pode se transformar, e, sob certas condições, pode formar a fase intermediária frágil conhecida como omega. Sendo assim, um tratamento térmico de recozimento para estabilização é recomendado para produzir fase beta estável, capaz de resistir a futuras transformações quando o material é exposto às elevadas temperaturas de serviço. As ligas alfa-beta possuem fração de fase beta relativamente baixa, como é o caso da liga Ti-6Al-4V, por exemplo, e podem ser resfriadas ao ar a partir da tempera de recozimento, sem prejudicar sua estabilidade. O resfriamento muito lento em forno pode promover a formação da fase Ti3Al, a qual pode reduzir a resistência à corrosão sob tensão. No caso de ligas que são solubilizadas e envelhecidas, o tratamento de envelhecimento pode ser visto, em alguns casos, como um tratamento térmico de estabilização.

Endireitamento durante Recozimento

Pode ser difícil evitar, durante o recozimento, o surgimento de distorções de peças com espessuras muito finas e estreitas tolerâncias dimensionais. O endireitamento de uma barra para atingir esses requisitos de tolerâncias dimensionais, juntamente com o achatamento da chapa, acarreta problemas complicados para os fabricantes de produtos de titânio e suas ligas. Por causa do efeito mola, e da resistência ao endireitamento à temperatura ambiente, é necessário realizar a conformação mecânica em elevadas temperaturas. Nas temperaturas de recozimento, muitas ligas de titânio apresentam resistência à fluência baixa o suficiente para permitir o endireitamento durante o recozimento. Com equipamentos adequados, e, em alguns casos, pesagem cuidadosa, chapas e peças forjadas de pequena espessura podem ser endireitadas com resultados satisfatórios. Novamente, a uniformidade de resfriamento abaixo de 315 ºC pode melhorar os resultados.

Vários equipamentos e técnicas de processamento já foram, propostos para recozer o titânio de modo a resultar num produto plano. O “achatamento por fluência” e o achatamento por fluência em vácuo” são duas dessas técnicas. O achatamento por fluência consiste em aquecer a chapa de titânio entre duas chapas planas e limpas de aço num forno contendo uma atmosfera inerte ou oxidante. O achatamento por fluência em vácuo é utilizado para produzir placas planas isentas de tensões para usinagem subseqüente. A placa é colocada num suporte cerâmico grande e plano, que possui unidades de aquecimento elétrico.

O isolamento é colocado na parte superior da placa e uma folha de plástico é selada à estrutura do equipamento. O suporte é então aquecido lentamente até a temperatura de recozimento, enquanto é feito vácuo sob o plástico. A pressão atmosférica é usada para achatar a placa por fluência.

Solubilização e Envelhecimento

Uma ampla gama de níveis de resistência mecânica pode ser obtida nas ligas alfa-beta e beta por tratamentos de solubilização e envelhecimento. A origem das respostas ao tratamento térmico das ligas de titânio está na instabilidade da fase beta de alta temperatura nas temperaturas mais baixas. O tratamento de solubilização e envelhecimento (estabilização) geralmente, mas nem sempre, é realizado após as operações de trabalho mecânico para gerar propriedades mecânicas otimizadas. Aquecendo-se uma liga alfa-beta à temperatura de solubilização, produz-se uma maior fração de fase beta. Esta partição de fases é mantida pelo resfriamento rápido pós-solubilização, quando é realizado o envelhecimento subseqüente, a decomposição de fase beta instável e da martensita (caso esta exista) acontece. As ligas comerciais beta, geralmente fornecidas na condição solubilizada, precisam somente de envelhecimento para atingir as propriedades desejadas.

Após a limpeza, os componentes de titânio devem ser colocados em suportes que permitam acesso livre ao meio de aquecimento e de resfriamento rápido. Componentes espessos e finos da mesma liga podem ser solubilizados juntos, mas o tempo de tratamento é determinado pela peça de maior espessura. Para determinar o tempo necessário para a maior parte das ligas, a regra consiste em considerar 20 a 30 minutos para cada 25 mm de espessura, seguido pelo tempo necessário de manutenção à temperatura. As combinações de temperatura e tempo de solubilização são apresentadas na tabela 4.3. Uma carga pode ser colocada diretamente num forno operando à temperatura de solubilização. Embora o pré-aquecimento não seja essencial, pode ser utilizado para minimizar distorções em peças com formato complexo.

Tabela 4.3 - Temperatura e Tempo de Solubilização e Envelhecimento para Titânio e suas Ligas.
Liga Temperatura de Solubilização (ºC) Tempo de Solubilização (h) Meio de Resfriamento Temperatura de Envelhecimento (ºC) Tempo de Envelhecimento
(h)

Para obter elevada resistência mecânica com adequada dutilidade, geralmente é necessário solubilizar a uma elevada temperatura no campo alfa-beta, normalmente 28 a 83 °C abaixo da temperatura beta transus da liga. Se são necessárias elevada tenacidade à fratura e alta resistência à corrosão sob tensão, pode ser necessário o recozimento ou solubilização no campo beta. Uma mudança na temperatura de solubilização das ligas alfa-beta altera o percentual de fase beta, e, conseqüentemente, modifica a resposta ao envelhecimento (ver tabela 4.4). A escolha da temperatura ideal de solubilização se baseia em considerações práticas como o nível desejado de propriedades de resistência à tração e de dutilidade a ser obtido após o envelhecimento.

Tabela 4.4 - Variação das Propriedades de Tração de uma Barra de Liga Ti-6Al-4V com a Temperatura de Solubilização

845

1025

980

18

870

1060

985

17

900

1095

995

16

925

1110

1000

16

940

1140

1055

16

Devido ao fato de que o tratamento de solubilização no campo alfa-beta envolve aquecimento em temperaturas apenas ligeiramente inferiores à temperatura beta transus, um controle adequado de temperatura é essencial. Se a temperatura sobe acima da temperatura beta transus, as propriedades de tração, principalmente a dutilidade são reduzidas e não podem ser completamente restauradas por um tratamento térmico subseqüente. As temperaturas beta transus para ligas comerciais de titânio são mostradas na tabela 4.5.

Tabela 4.5 - Temperaturas de Transformação para Fase Beta das Ligas de Titânio

Ti Comercialmente Puro com 0,25%
de Oxigênio no máximo 

895 - 925

Ti Comercialmente Puro com 0,40%
de Oxigênio no máximo

930 - 960

Ti-5Al-2,5Sn

1035 - 1065

Ti-8Al-1Mo-1V

1025 – 1055

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

980 – 1010

Ti-6Al-2Nb-1Ta-0,8Mo

1000 – 1030

Ti-0,3Mo-0,8Ni (Ti código 12)

865 – 895

Ti-6Al-4V

980 – 1020

Ti-6Al-6V-2Sn (Cu+Fe)

930 – 960

Ti-3Al-2,5V

920 – 950

Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo

925 – 955

Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr (Ti-17)

885 – 915

Ti-7Al-4Mo

985 – 1015

Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0,25Si

955 – 985

Ti-8Mn

765 – 835

Ti-13V-11Cr-3Al

705 – 735

Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn (Beta III)

745 – 775

Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (Beta C)

780 – 810

Ti-10V-2Fe-3Al

790 – 820

Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn

745 – 775

As temperaturas de tratamento de solubilização para ligas beta podem ser superiores à temperatura beta transus. Geralmente as ligas beta são fabricadas na condição solubilizada. Se for necessário o reaquecimento, os tempos de encharque devem ser longos somente o suficiente para garantir solubilização completa, uma vez que pode ocorrer rápido crescimento de grãos nessas condições, já que nenhuma segunda fase está presente. Para ligas do tipo quase beta a solubilização deve ser realizada abaixo da temperatura beta transus: é o chamado recozimento alfa-beta. Este produto solubilizado conteria uma distribuição bimodal de fase alfa, ou seja, fase alfa primária junto com fase alfa resultante do envelhecimento.

Resfriamento Rápido (Têmpera)

A taxa de resfriamento a partir da temperatura de solubilização apresenta um importante efeito sobre a resistência mecânica para ligas alfa-beta. Se esta taxa for muito baixa, ocorrerá considerável difusão durante o resfriamento, e a decomposição da fase beta alterada, durante o envelhecimento, pode não resultar em ganho de resistência mecânica. Para ligas com teor relativamente alto de elementos estabilizadores da fase beta e para produtos com pequeno tamanho de seção o resfriamento ao ar ou com ventiladores pode ser adequado. Este resfriamento mais lento, quando permitido de acordo com propriedades mecânicas especificadas, é preferível, pois minimiza qualquer tipo de distorção. De um modo geral, as ligas beta são temperáveis ao ara partir da temperatura de solubilização.

Água, salmoura a 5 %, ou solução de soda cáustica são os meios de têmpera preferidos para o resfriamento rápido das ligas alfa-beta, pois proporcionam taxas de resfriamento suficientemente rápidas para evitar a decomposição da fase beta obtida durante o envelhecimento, assim como para garantir máxima resposta ao envelhecimento. A necessidade de um resfriamento rápido é ainda enfatizada por requisitos de tempos de resfriamento curtos. Dependendo da massa das seções que estão sendo tratadas, algumas ligas alfa-beta podem tolerar um tempo de no máximo 7 segundos, ao passo que ligas beta altamente estabilizadas podem permitir tempos de resfriamento da ordem de até 20 segundos.

Algumas ligas são menos sensíveis ao tempo de resfriamento, como, por exemplo, as ligas Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr, para as quais o resfriamento com ventilador permite obter boa resistência mecânica em seções da ordem de 100 mm. O tamanho da seção influencia a eficiência da têmpera e também a resposta ao envelhecimento. O teor e o tipo de elemento estabilizador da fase beta na liga determinam a profundidade de endurecimento ou ganho efetivo de resistência mecânica. A não ser que a liga contenha elevados teores de elementos estabilizadores da fase beta, seções mais espessas resultam em propriedades de tração inferiores.

Envelhecimento

A etapa final no tratamento térmico de ligas de titânio para obter máxima resistência mecânica consiste no reaquecimento a uma temperatura de envelhecimento entre 425 e 650 ºC. O envelhecimento provoca a decomposição da fase beta supersaturada retida à temperatura ambiente devido à têmpera, assim como a transformação de qualquer tipo de martensita em fase alfa.

O envelhecimento acima das temperaturas padronizadas para cada liga, porém ainda várias centenas de graus abaixo da temperatura beta transus, resulta em superenvelhecimento. Esta condição de material solubilizado e superenvelhecido encontra uso em situações nas quais se deseja pequenos aumentos de resistência mecânica, porém mantendo tenacidade e estabilidade dimensional satisfatórias.

Embora a condição de material envelhecido não seja necessariamente uma condição de equilíbrio, um envelhecimento adequado produz alta resistência mecânica com razoável dutilidade e estabilidade metalúrgica. O tratamento térmico de ligas alfa-beta para atingir elevada resistência mecânica envolve uma série de compromissos e modificações, dependendo do tipo de serviço e das propriedades especiais que são exigidas, como, por exemplo, dutilidade e facilidade de fabricação. Isso se torna especialmente importante quando a tenacidade à fratura é relevante no projeto do componente que está sendo fabricado e quando é necessário reduzir um pouco a resistência mecânica para garantir maior vida útil ao componente em serviço.

Durante o envelhecimento de algumas ligas beta altamente estabilizadas,a fase beta inicialmente se transforma numa fase metaestável de transição conhecida como fase omega, antes de se transformar em fase alfa. A fase omega retida, que provoca fragilidade inaceitável em ligas termicamente tratadas para condições de serviço, pode ser evitada por um resfriamento muito rápido (têmpera severa) e rápido reaquecimento até as temperaturas de envelhecimento superiores a 425 ºC. Contudo, devido á formação de uma fase alfa grosseira este tratamento pode não produzir propriedades de resistência mecânica ideais. Uma prática de envelhecimento, que assegure que o tempo e a temperatura de envelhecimento são adequados para garantir que qualquer transformação para fase omega seja completa, é geralmente utilizada. Esta prática envolve o aquecimento a temperaturas acima de 425 ºC para garantir que esta transformação seja completa.

As ligas metaestáveis beta geralmente não necessitam de tratamento de solubilização. O trabalho a quente final, seguido por resfriamento ao ar, deixa essas ligas em condições muito semelhantes à condição de liga solubilizada. Entretanto, em alguns casos a solubilização a 790 ºC resulta em melhor uniformidade de propriedades após o envelhecimento. O envelhecimento a 480 ºC por tempos de 8 a 60 horas produz limites de resistência á tração da ordem de 1,10 a 1,38 GPa. O envelhecimento por tempos ainda mais longos (acima de 60 h) pode proporcionar resistência mecânica ainda mais alta, porém provoca queda de dutilidade e de tenacidade em ligas que contêm cromo, quando se formam compostos intermetálicos titânio-cromo. Tempos de envelhecimento curtos podem ser utilizados em materiais trabalhados a frio para aumentar significativamente a resistência mecânica em relação ao material apenas trabalhado a frio sem envelhecimento.

Efeitos de Contaminação e da Atmosfera

Generalidades

O titânio reage com o oxigênio, com a água e com o dióxido de carbono normalmente encontrados em atmosferas oxidantes usadas em tratamentos térmicos. Também reage com o hidrogênio formado pela decomposição do vapor d’água. A não ser que o tratamento térmico seja realizado num forno a vácuo ou em atmosfera inerte, e a não ser que seja mantida cuidadosa limpeza superficial, haverá efeito direto sobre as propriedades do titânio e suas ligas. Enquanto as propriedades podem ser recuperadas por tratamento térmico em vácuo e pela remoção do material oxidado, dependendo da situação é mais eficiente prevenir ou minimizar as interações com a superfície do material, sempre que possível. Mesmo quando, por exemplo, revestimentos são usados no forjamento para proteger a superfície da peça forjada e lubrificar o material que está sendo forjado, sempre ocorre algum acúmulo de óxidos e nitretos, tornando necessária a remoção do material deteriorado na superfície da peça, geralmente por usinagem. Entretanto, em alguns casos a contaminação superficial pode tornar a peça inútil para uma determinada aplicação.

Contaminação durante Tratamento Térmico

Antes de serem submetidos a qualquer tipo de tratamento térmico, os componentes de titânio e suas ligas devem ser submetidos a etapas de limpeza e secagem. Devem ser tomados cuidados para não utilizar água de qualquer tipo para essa limpeza. Do mesmo modo, componentes de titânio e suas ligas devem ser submetidos a uma cuidadosa emoção de óleos aderidos, impressões digitais, graxas e gorduras em geral, tintas e qualquer tipo de substância estranha aderida à superfície dessas peças. A limpeza é necessária devido à elevada reatividade do titânio em altas temperaturas, o que poderia levar à contaminação e à conseqüente fragilização, aumentando a susceptibilidade à corrosão sob tensão. Após a limpeza as peças devem ser manuseadas com luvas para evitar a contaminação. Se um componente deve ter seu tamanho ajustado, ou se deve ser endireitado ou tratado termicamente num suporte, este suporte deve estar livre de qualquer tipo de contaminação ou óxido aderido.

O titânio é quimicamente ativo em temperaturas elevadas e oxida ao ar, resultando na formação de uma camada de óxido. Entretanto, a oxidação não é a maior preocupação no tratamento térmico do titânio, embora possa ser um problema nas operações de conformação de chapas.

O acúmulo de oxigênio (ou nitrogênio) durante o tratamento térmico resulta numa estrutura de superfície composta predominantemente por fase alfa, já que tanto o oxigênio como o nitrogênio são elementos que estabilizam a fase alfa. Entre os dois, o oxigênio é o mais forte estabilizador de fase alfa. Além disso, o oxigênio é absorvido a uma taxa bem mais elevada do que o nitrogênio. A fase alfa assim formada é prejudicial devido ao caráter frágil dessa fase alfa enriquecida em oxigênio, que também é muito abrasiva, tanto para ferramentas à base de carbetos como a ferramentas de aços rápidos. A 955 ºC essa fase alfa oxidada pode se estender em até 0,2 a 0,3 mm de profundidade e deve ser removida.

Um revestimento pode aplicado com spray antioxidante antes da operação de limpeza das chapas de modo a minimizar o acúmulo de oxigênio durante o tratamento térmico. Estes revestimentos funcionam bem em temperaturas de até 760 ºC, mas seu uso não elimina completamente a necessidade de remover o óxido superficial após o tratamento térmico.

O perigo do acúmulo de hidrogênio é de maior importância do que a oxidação, uma vez que o hidrogênio não forma uma camada visível na superfície, que possa ser usada como indicador do excesso de hidrogênio no metal. As especificações atuais limitem os teores de hidrogênio a um valor máximo da ordem de 125 a 200 ppm, dependendo do tipo de liga e de operação de conformação. Acima desses limites o hidrogênio fragiliza significativamente algumas ligas de titânio, reduzindo assim a resistência ao impacto e à tração de corpos de prova entalhados, causando também trincamento retardado.

Acúmulo de Hidrogênio

Com exceção dos tratamentos térmicos em alto vácuo, banhos de sais e gases quimicamente inertes como o argônio, todas as atmosferas de tratamento térmico contêm um certo teor de hidrogênio em temperaturas usadas no recozimento do titânio. Combustíveis á base de hidrocarbonetos produzem hidrogênio como subproduto da combustão incompleta; fornos elétricos com atmosfera de ar contêm hidrogênio como resultado da decomposição do vapor d’água. Entretanto, por ser possível tolerar pequenos teores de hidrogênio no titânio e devido ao fato de que vácuo e atmosferas inertes representam um alto custo, a maioria das operações de tratamento térmico de titânio são realizadas em fornos convencionais que utilizam atmosfera oxidante, a qual proporciona ao titânio uma camada de óxido protetor que retarda o acúmulo de hidrogênio.

Taxas de Oxidação

As taxas de oxidação das ligas de titânio variam muito. A liga Ti-6Al-4V apresenta taxas de oxidação inferiores às da liga Ti-5Al-2,5 Sn e às do titânio comercialmente puro, sendo praticamente nula a 650 ºC. E mesmo em temperaturas mais elevadas, da ordem de 980 ºC, a liga Ti-6Al-4V oxida a uma taxa de 25 mg/cm3, enquanto a liga Ti-5Al-2,5 Sn na mesma temperatura oxida a quase 150 mg/cm3 e o titânio comercialmente puro a cerca de 80 mg/cm3.

Nitrogênio

O nitrogênio é absorvido pelo titânio durante tratamento térmico em taxas muito inferiores à da absorção do oxigênio e assim não representa um problema tão sério em termos de contaminação. O nitrogênio seco é usado com sucesso e a um custo muito menor do que atmosferas inertes no tratamento térmico de ligas de titânio forjadas, que devem ser usinadas completamente após o tratamento térmico. Entretanto, se for absorvido em altos teores o nitrogênio pode levar à formação de compostos duros e frágeis (nitretos e similares).

Monóxido de Carbono e Dióxido de Carbono

Os gases CO e CO2 se decompõem em presença de titânio quente, resultando em oxidação superficial.

Cloretos

As ligas de titânio são submetidas a condições de corrosão sob tensão quando peças com elevadas tensões residuais são expostas a temperaturas acima de 290 ºC. O sal proveniente de impressões digitais e os cloretos contidos em algumas soluções desengordurantes podem causar trincamento por corrosão sob tensão em temperaturas superiores a 315 ºC. Embora este fenômeno ocorra rapidamente em ensaios de laboratório, e também durante tratamento térmico, o trincamento associado à presença de sais em altas temperaturas não costuma ser um problema significativo em condições de serviço. Em todo caso, deve haver cuidado durante qualquer etapa de tratamento térmico para evitar contaminação por cloretos.

Requisitos Pós-Tratamento Térmico
em Caso de Interações com a Atmosfera

O oxigênio e o nitrogênio reagem com o titânio na superfície metálica, produzindo uma camada enriquecida em oxigênio (conhecida como “alpha case” no idioma inglês). Esta camada frágil deve ser removida antes de o componente entrar em operação. Pode ser removida por usinagem, porém certas operações de usinagem provocam desgaste excessivo na ferramenta de corte. A prática mais comum consiste em remover esta camada por outros métodos mecânicos ou por métodos químicos, ou por uma combinação de ambos os tipos de métodos. As taxas de oxidação das ligas de titânio comerciais variam muito e são fortemente influenciadas pela temperatura e pelo tempo de tratamento térmico.

Um método para verificar a completa remoção da camada oxidada consiste em atacar o componente com uma solução composta por 18 g de bifluorito de amônia por litro de água. A presença ou ausência da camada oxidada é detectada pela diferença de características obtidas após o ataque: uma coloração cinza clara mostra a presença da camada oxidada, enquanto uma coloração cinza escura indica a ausência desta camada oxidada. Se um componente forjado for usinado, o tratamento com bifluorito de amônia deve ser precedido por um ataque numa solução contendo 5 % de ácido fluorídrico e 30 % de ácido nítrico em água. Para outros tipos de produtos trabalhados mecanicamente, como placas, por exemplo, geralmente é feita uma observação em estéreo-microscópio em amostras representativas tiradas da placa.

Pequenos teores de hidrogênio (100 a 200 ppm) podem ser tolerados em ligas de titânio, dependendo do tipo de aplicação, que define a norma à qual o produto se aplica. Elevados teores de hidrogênio podem levar à falha prematura de um determinado componente. O acúmulo de hidrogênio no material ocorre não apenas durante o tratamento térmico, mas também durante a decapagem ou operações de limpeza química em geral utilizadas para remover a camada externa oxidada. A quantidade de hidrogênio acumulado só pode ser determinada por análise química. Se for encontrado um elevado teor de hidrogênio, é necessário o recozimento em vácuo. Um típico ciclo de recozimento em vácuo consiste no aquecimento na temperatura especificada para o recozimento, ou em temperatura próxima, durante 2 a 4 horas num vácuo não inferior a 10 micrometro.

O ensaio de dureza não é recomendado como ensaio não destrutivo para verificar a eficiência do tratamento. A correlação entre dureza e resistência mecânica não é adequada. Sempre que for necessário verificar alguma propriedade específica, recomenda-se o próprio ensaio para determinação desta propriedade.

Dilatação Térmica durante Tratamento Térmico

A solubilização de peças com grandes dimensões exige tolerâncias para dilatação térmica durante o tratamento térmico. Esta dilatação pode ser mantida após resfriamento e pode ser aumentada por longos intervalos de tempo à temperatura de solubilização ou por taxas de aquecimento mais lentas. Uma taxa de aquecimento da ordem de 3,3 ºC/min por um tempo de tratamento (liga Ti-6Al-4V) de alguns segundos resulta numa dilatação de apenas 0,22 a 0,27 %. Quando o tempo é aumentado para 1 hora esta dilatação cresce para níveis entre 0,49 e 0,60 %. Prolongando o tempo para 2 horas a dilatação aumenta para 0,90 a 1,00 %. Entretanto, mantido o tempo em 1 hora, o aumento da taxa de aquecimento para 10 ºC/min é responsável pelo decréscimo da dilatação térmica de 0,49 a 0,60 % para 0,32 a 0,35 %.

Prensagem Isostática a Quente

Como o processo de prensagem isostática a quente, realizado com o intuito de fechar poros em peças fundidas de titânio, ocorre em elevadas temperaturas (da ordem de 899 a 954 ºC), muitos dos efeitos observados em peças tratadas termicamente também ocorrem em peças prensadas isostaticamente a quente, pois no caso da maioria das ligas de titânio estas temperaturas estão próximas, ou são equivalentes, à temperatura beta transus. A taxa de resfriamento após este processo também pode afetar as propriedades das ligas de titânio após o tratamento térmico [2].