O tratamento térmico do titânio varia significativamente consoante o tipo de liga. As ligas comercialmente puras (CP) dos tipos 1 a 4 só podem ser submetidas a recozimento (538–760 °C / 1000–1400 °F) e a alívio de tensões — não podem ser reforçadas por tratamento térmico. O tipo 5 (Ti-6Al-4V), a liga mais utilizada, pode ser recozido a 691–760 °C (1275–1400 °F) ou submetido a tratamento de solução a 913–954 °C (1675–1750 °F) e submetida a envelhecimento a 524–552 °C (975–1025 °F) para atingir uma resistência superior à do estado recozido em cerca de 20%. A temperatura de referência crítica para qualquer liga de titânio é a beta transus—o aquecimento a temperaturas superiores a esse valor altera profundamente a microestrutura e as propriedades. Todos os tratamentos térmicos a temperaturas superiores a 538 °C (1000 °F) requerem vácuo, gás inerte ou atmosfera protetora, de acordo com a norma AMS 2801.
Referência rápida: Temperaturas de tratamento térmico do titânio por tipo
A tabela que todo engenheiro especializado em titânio deveria ter nos favoritos. Todas as temperaturas provêm das fichas técnicas da ATI e dos requisitos da norma AMS 2801.
| Grau | Liga metálica | Beta Transus | Alívio do stress | Temperatura de recozimento | Tempo de recozimento | Opção STA |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Grau 1 | CP Ti (0,18% O máx.) | ~888 °C / 1630 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 538–704 °C / 1000–1300 °F | ½–2 horas, com ar condicionado | Não |
| Grau 2 | CP Ti (0,25% O máx.) | ~913 °C / 1675 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 horas, com ar condicionado | Não |
| Grau 3 | CP Ti (0,35% O máx.) | ~921 °C / 1690 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 horas, com ar condicionado | Não |
| Grau 4 | CP Ti (0,40% O máx.) | ~949 °C / 1740 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 horas, com ar condicionado | Não |
| Grau 5 | Ti-6Al-4V | 995 °C ± 14 °C / 1820 °F ± 25 °F | 538–649 °C / 1000–1200 °F | 691–760 °C / 1275–1400 °F | ½–2 horas, AC ou FC | Sim (STA) |
| Grau 23 | Ti-6Al-4V ELI | 977 °C ± 4 °C / 1790 °F ± 25 °F | 482–649 °C / 900–1200 °F | 704–732 °C / 1300–1350 °F | 1–8 horas, CA | Sim (raramente) |
AC = arrefecimento por ar, FC = arrefecimento por forno. Fontes: Fichas técnicas da ATI; AMS 2801D; ficha técnica do CP Ti da Carpenter Technology.
O princípio mais importante de todos: Para os graus 5 e 23, a temperatura de recozimento deve manter-se, pelo menos, 35–80 °C abaixo do transus beta. Se ultrapassar esse limite, obtém-se uma microestrutura beta totalmente transformada durante o arrefecimento — uma peça com granulometria mais grossa, mais resistente e com menor resistência à fadiga do que a necessária para a maioria das aplicações.
Compreender o Beta Transus — Por que razão esta temperatura muda tudo
A transus beta é o ponto de referência térmico mais importante na metalurgia do titânio. Todos os parâmetros do tratamento térmico — recozimento, tratamento de solução, alívio de tensões — são definidos em relação a ele.
O titânio puro sofre uma transformação alotrópica aos 882,5 °C: abaixo desta temperatura, a estrutura cristalina é hexagonal compacta (HCP), denominada fase alfa. Acima dessa zona, a estrutura passa a ser cúbica centrada no corpo (BCC), a fase beta. Quando se adicionam elementos de liga — alumínio, vanádio, oxigénio, estanho —, esta temperatura de transformação altera-se.
No caso do Ti-6Al-4V, o transus beta situa-se em aproximadamente 995 °C (1820 °F), com uma tolerância típica indicada pelo fabricante de ±14 °C (±25 °F). Isto significa que um determinado lote de Ti-6Al-4V pode transformar-se a temperaturas compreendidas entre 981 °C e 1009 °C. Os dados de produção da ATI indicam 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F) para o seu produto 6-4.
Por que é que a tolerância é importante: Se o tratamento for realizado a 960 °C e o transus beta para esse calor específico for 981 °C, ainda se encontra abaixo do transus e a trabalhar no campo bifásico alfa+beta — que é exatamente onde se pretende estar para o STA. Mas se o transus for de 958 °C e estiver a 960 °C, já ultrapassou esse valor. A fração beta àquela temperatura é agora 100%, e a microestrutura após o arrefecimento terá um aspeto completamente diferente.
É por isso que a ficha técnica da ATI especifica um tratamento de solução a 1675–1750 °F (913–954 °C) — um intervalo deliberadamente definido 45–85 °C abaixo do transus beta nominal, proporcionando uma margem suficiente para compensar as variações de temperatura.
O grau 23 (ELI) apresenta um transus beta significativamente mais baixo: 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F). A composição química mais restrita do ELI (menor teor de Fe e menor teor de elementos intersticiais) desloca ligeiramente a linha de transus para baixo. Isto afeta todos os parâmetros do tratamento térmico — o recozimento, a janela de tratamento de solução e as especificações AMS aplicáveis diferem todas do Grau 5 padrão.
Tipos de titânio CP As classes 1 a 4 são ligas alfa puras. O seu transus beta varia entre os 888 °C para a Classe 1 e os 949 °C para a Classe 4 (um maior teor de oxigénio e ferro estabiliza a fase beta, elevando o transus). Uma vez que estas classes não contêm elementos estabilizadores da fase beta, como o vanádio, não há nada que possa precipitar durante o envelhecimento — Não é possível realizar um STA.
Os quatro tipos de tratamento térmico do titânio — e qual é a função de cada um
| Tratamento | Zona de temperatura | Objetivo principal | Níveis de ensino abrangidos |
|---|---|---|---|
| Alívio do stress | 482–649 °C (900–1200 °F) — bem abaixo da temperatura de recozimento | Reduzir as tensões residuais resultantes da maquinagem, conformação e soldadura | Todas as classes |
| Recozimento | 538–760 °C, dependendo do tipo — abaixo do transus beta | Otimizar a ductilidade, a tenacidade e a estabilidade dimensional | Todas as classes |
| Solução Treat + Age (STA) | ST: 913–954 °C; em seguida, Envelhecimento: 480–595 °C | Maximizar a resistência (até ~20% em relação ao material recozido) | Grau 5, Grau 23 (raramente), algumas ligas beta |
| Recozimento beta | Acima do transus beta, depois arrefecimento controlado | Maximizar a tenacidade à fratura e a resistência ao crescimento de fissuras | Grau 5, ligas beta |
A maioria das peças aeroespaciais e industriais chega numa de duas condições: recocido em laminador (AMS 4928 para barras/lingotes de Ti-6Al-4V) ou tratado com solução e envelhecido (AMS 4965). A escolha depende do nível de resistência exigido, das dimensões da secção e da capacidade da geometria em resistir ao arrefecimento rápido em água durante o tratamento de solubilização.
Recozimento do titânio: recozimento de laminagem, recozimento completo e recozimento duplex
O recozimento padrão do titânio produz um estado inicial estável e dúctil — mas o termo “recozimento” abrange pelo menos três processos distintos, cada um com resultados diferentes.
Recozimento de moagem
A condição mais comum do Ti-6Al-4V no mercado. O material é recozido na fábrica durante ou após o processamento primário — normalmente a 700–790 °C (1292–1454 °F) no caso de barras e chapas. A norma AMS 4928 abrange barras, tarugos e peças forjadas de Ti-6Al-4V no estado recozido, com propriedades mínimas de 895 MPa (130 ksi) de resistência à tração (UTS) e 825 MPa (120 ksi) de resistência à deformação (YS) no alongamento do 10%.
Para Titânio CP (Graus 1–4), o recozimento produz uma estrutura alfa equiaxial totalmente recristalizada. O tamanho dos grãos e a resistência podem ser ajustados variando a temperatura de recozimento dentro deste intervalo — temperaturas mais baixas resultam em grãos mais finos e maior resistência; temperaturas mais elevadas tornam os grãos mais grossos e maximizam a ductilidade.
Recozimento completo / de recristalização
No caso do Ti-6Al-4V que tenha sido submetido a um forte trabalho a frio ou que apresente uma microestrutura deformada devido a uma maquinagem agressiva, é aplicado um recozimento de recristalização total: 704–760 °C (1300–1400 °F), 2 horas, arrefecimento ao ar ou no forno. Isto produz uma estrutura alfa equiaxial mais completamente recristalizada do que um recozimento de laminagem.
Recozimento duplex
Um recozimento duplex utiliza duas fases de temperatura para otimizar o equilíbrio entre a fase alfa e a fase beta transformada. Dados de investigação da TotalMateria e da Scientific Reports mostram que o processamento duplex do Ti-6Al-4V — combinando uma fase de solução a temperatura mais elevada com uma fase de estabilização a temperatura mais baixa — pode proporcionar melhorias na resistência até 25% com recozimento de fábrica padrão mantendo, ao mesmo tempo, uma ductilidade adequada.
O processo duplex: primeiro, aquecer até à faixa superior alfa+beta (~925 °C), arrefecer ao ar ou no forno e, em seguida, manter a temperatura a um nível mais baixo (~700 °C) para estabilizar a microestrutura. Isto produz uma microestrutura bimodal (alfa primária equiaxial + beta transformada) que equilibra a resistência à fadiga com a tenacidade à fratura.
Recozimento beta
O aquecimento do Ti-6Al-4V acima do seu transus beta (~995 °C) e o subsequente arrefecimento lento produzem uma microestrutura alfa+beta “Widmanstätten” totalmente lamelar. O recozimento beta maximiza a tenacidade à fratura e a resistência ao crescimento de fissuras à custa de uma menor resistência ao escoamento e de um desempenho inferior em condições de fadiga de alto ciclo. É utilizado em peças estruturais de secção espessa em helicópteros e em algumas aplicações da estrutura da aeronave, em que a tenacidade é mais importante do que a resistência máxima.
Tratamento de Ti-6Al-4V: os parâmetros que determinam as suas propriedades
O tratamento em solução (ST) é a primeira etapa do STA — e os parâmetros que aqui selecionar determinam a microestrutura e a resistência finais mais do que qualquer outra variável.
A Janela «Solução»
De acordo com os dados de produção da ATI e os requisitos da norma AMS 4965, o intervalo de tratamento da solução para o Ti-6Al-4V é 913–954 °C (1675–1750 °F), mantido durante, no mínimo, 1 hora. Algumas fontes indicam que esse intervalo começa aos 904 °C (1660 °F) — a ficha técnica da ATI especifica 913 °C como o limite inferior para o seu produto.
Este intervalo foi definido intencionalmente entre 45 e 80 °C abaixo do transus beta nominal (~995 °C). Entre 913 e 954 °C, aproximadamente 70–85% da microestrutura é alfa, com 15–30% de fase beta presente àquela temperatura. Quando arrefecida com água a partir desta faixa, a fase beta transforma-se em:
- Martensite (α′) — se a velocidade de arrefecimento for suficientemente rápida (o arrefecimento com água permite alcançar este objetivo na maioria das secções ≤25 mm)
- Alfa e beta de Widmanstätten — se o arrefecimento for mais lento, em secções mais espessas onde o centro não consegue arrefecer com a rapidez necessária
A fase de martensite/beta retida constitui, então, o ponto de partida supersaturado para o envelhecimento.
Por que não se deve aplicar o tratamento acima do transuso beta
O aquecimento acima de ~995 °C para tratamento de solução é, por vezes, realizado em investigação e para aplicações específicas orientadas para a tenacidade (denominado “tratamento de solução beta”), mas na produção aeroespacial padrão é evitado para peças em que a resistência é fundamental. Acima da linha transus, todo o alfa se dissolve. Os grãos beta tornam-se significativamente mais grossos. No arrefecimento e envelhecimento subsequentes, obtém-se uma microestrutura lamelar mais grossa que apresenta menor resistência à fadiga e menor resistência ao escoamento do que um STA alfa+beta.
A norma AMS 4965 especifica a condição «recocida + passível de tratamento térmico» precisamente para evitar um excesso de temperatura acidental.
Taxa de arrefecimento a partir da temperatura da solução
O resfriamento em água é a norma para o Ti-6Al-4V STA. O resfriamento em polímero é uma alternativa aceitável para peças sensíveis à deformação causada pelo resfriamento, mas a velocidade de resfriamento deve ser equivalente — o que deve ser confirmado por ensaios de propriedades mecânicas.
O arrefecimento por ar a partir da temperatura da solução é não é suficiente para manter a fase beta/martensítica necessária para o reforço por envelhecimento. O material arrefecido ao ar a partir da temperatura ST produz uma microestrutura semelhante à de um recozimento a alta temperatura — dúctil, mas não totalmente reforçada.
Dimensão da secção — O limite de temperabilidade
Este é o ponto que apanha muitos engenheiros de surpresa: O Ti-6Al-4V STA só é totalmente eficaz em secções com um diâmetro ou espessura de, aproximadamente, 15–25 mm (0,6–1,0 polegadas). Além disso, o centro da secção não consegue arrefecer com a rapidez necessária durante o arrefecimento rápido com água para suprimir totalmente a transformação beta, levando ao equilíbrio alfa+beta. O resultado é um gradiente de propriedades — maior resistência na superfície do que no núcleo.
Os dados técnicos da ATI indicam que “as melhores propriedades na condição STA são obtidas em secções de pequena dimensão”. A TIMET refere, de igual modo, limitações de temperabilidade para secções transversais mais espessas. Se estiver a projetar um elemento de fixação em Ti-6Al-4V (normalmente com 10–15 mm de diâmetro), o STA funciona bem. Se estiver a especificar STA para um eixo de 50 mm, é de esperar que as propriedades do núcleo fiquem aquém dos mínimos da norma AMS 4965 — mesmo que o ciclo do forno tenha sido perfeito.
Envelhecimento do Ti-6Al-4V: Transformar o potencial de têmpera em resistência real
É com o envelhecimento que a resistência do STA Ti-6Al-4V se desenvolve efetivamente. A solução de tratamento limita-se a definir a microestrutura; é o envelhecimento que faz o trabalho.
Após o arrefecimento rápido em água a partir da temperatura de tratamento de solução, o Ti-6Al-4V contém uma mistura supersaturada de beta retida e/ou martensite (α′). Trata-se de fases metaestáveis com uma quantidade significativa de energia armazenada. O envelhecimento à temperatura adequada ativa uma decomposição controlada: a martensite decompõe-se em alfa + beta finas; a beta retida precipita alfa secundária fina (αs) por toda a matriz. Estes precipitados finos são a origem do aumento da resistência.
Parâmetros padrão de envelhecimento
De acordo com os dados da ATI:
- Temperatura: 524–552 °C (975–1025 °F)
- Tempo: 4–8 horas
- Arrefecimento: Arrefecimento por ar
Uma visão mais abrangente da TIMET e de fontes do setor: 480–595 °C (900–1100 °F), 1–24 horas. A janela ATI é mais restrita e representa o ponto ideal para aplicações aeroespaciais típicas.
Temperaturas de envelhecimento mais baixas (480–500 °C) produzem precipitados mais finos e uma maior resistência de pico, em detrimento de alguma ductilidade. Úteis para elementos de fixação sujeitos a cargas elevadas.
Temperaturas de envelhecimento mais elevadas (570–595 °C) produzem uma estrutura alfa mais grossa e melhor ductilidade/resistência à fratura, com uma resistência à tração máxima (UTS) ligeiramente inferior. São utilizados em peças estruturais que requerem resistência ao impacto.
Envelhecimento excessivo (acima de 595 °C durante períodos prolongados) começa a aumentar a granulometria dos precipitados alfa, reduzindo a resistência com um benefício mínimo em termos de ductilidade. O envelhecimento a temperaturas superiores a 595 °C equivale, na prática, a um tratamento de alívio de tensões, e não a um tratamento de reforço.
O que a STA realmente consegue — Números relativos aos imóveis
O estado recozido (AMS 4928) apresenta valores mínimos de especificação de 895 MPa de resistência à tração / 825 MPa de resistência ao escoamento / alongamento do 10%. A STA para AMS 4965 eleva os valores mínimos das especificações para 1103 MPa de resistência à tração / 1034 MPa de resistência ao escoamento / alongamento do 8% — um aumento de cerca de 23% na resistência, acompanhado de uma redução de cerca de 2% no alongamento mínimo.
Os dados da revista *Scientific Reports* (2023) confirmam que o processamento STA proporciona normalmente um Aumento de ~20% na resistência à tração Recozimento pós-fresagem do Ti-6Al-4V.
É por isso que os elementos de fixação aeroespaciais, as caixas dos motores de foguetão, os discos dos compressores e outras peças sujeitas a cargas elevadas são especificados na condição STA: a relação resistência/peso é cerca de 23% superior à do material recozido, com uma ductilidade totalmente aceitável.
Alívio de tensões vs. recozimento — Quando é que se precisa realmente de cada um deles
O alívio de tensões e o recozimento são frequentemente confundidos, uma vez que ambos envolvem o aquecimento do titânio a temperaturas elevadas. A diferença reside no que se pretende corrigir.
Alívio do stress
O alívio de tensões trata um problema: as tensões residuais resultantes da maquinagem, da conformação a frio, da soldadura ou do endireitamento. O intervalo de temperaturas é mantido intencionalmente abaixo da faixa de recozimento — normalmente entre 482 e 649 °C (900–1200 °F) para o Ti-6Al-4V — de modo a que a microestrutura não sofra alterações significativas. Está a aliviar as tensões internas sem alterar a estrutura granular nem o equilíbrio de fases.
A norma AMS 2801 especifica o alívio de tensões para peças em Ti-6Al-4V a 593 °C (1100 °F) durante 2 horas, com arrefecimento ao ar. Este é o parâmetro de referência para o alívio de tensões pós-soldadura e após a maquinagem de desbaste em peças aeroespaciais de precisão.
No caso do titânio CP (classes 1–4), o alívio de tensões é normalmente realizado a uma temperatura de 538–593 °C (1000–1100 °F) durante 30 minutos, com arrefecimento ao ar.
Quando se deve recorrer ao alívio de tensões em vez do recozimento:
- Após a soldadura, antes da maquinação final, quando não é necessário restabelecer a ductilidade total
- Entre as etapas de conformação, para permitir um maior trabalho a frio
- No caso de peças submetidas a tratamento térmico (STA) que necessitam de redução de tensões sem perder a resistência obtida pelo envelhecimento — este é o caso crítico. Se se recozer totalmente uma peça STA, destrói-se o tratamento de envelhecimento. Um alívio de tensões permite manter-se em segurança abaixo da faixa de temperatura de envelhecimento, pelo que as propriedades são preservadas.
Recozimento
O recozimento vai mais além: recristaliza a microestrutura, restaura a ductilidade total e elimina todas as tensões residuais. É adequado quando:
- O material foi submetido a um forte trabalho a frio e necessita de uma restauração completa das suas propriedades
- É necessária a máxima ductilidade para as operações de conformação subsequentes
- A peça acabada requer a estabilidade dimensional que só uma microestrutura totalmente recozida proporciona
A desvantagem do recozimento em relação ao alívio de tensões: demora mais tempo, requer a mesma atmosfera protetora e — o que é fundamental —, se se recozer uma peça submetida a alívio de tensões, elimina-se todo o reforço resultante do envelhecimento. A peça volta, essencialmente, ao estado inicial de recozimento.
Regra prática de decisão: Se a peça se encontrar no estado recozido e estiver a ser maquinada, um alívio de tensões é normalmente suficiente. Se a peça tiver sido moldada a frio ou apresentar uma distorção microestrutural grave, recozê-la. Se estiver na condição STA e for necessária uma redução de tensões, mantenha-se na faixa de 480–538 °C (abaixo da faixa de envelhecimento) e trate-a como um alívio de tensões a baixa temperatura.
Controlo da atmosfera e caixa Alpha — A falha de contaminação que não passa nas inspeções
O caso «alfa» é o tipo de rejeição mais comum relacionado com o tratamento térmico das peças de titânio na produção aeroespacial — e é totalmente evitável.
O que é o Alpha Case
Quando o titânio é aquecido acima de aproximadamente 538 °C ao ar, reage de forma agressiva com o oxigénio e o azoto. O oxigénio difunde-se na superfície, estabilizando a fase alfa até uma profundidade que pode variar entre 0,025 e 0,25 mm, dependendo da temperatura e do tempo. Esta camada superficial estabilizada pelo oxigénio é designada por caso alfa: é mais duro, mais frágil e menos dúctil do que o substrato subjacente.
A estrutura alfa é essencialmente invisível a olho nu. Não afeta a inspeção dimensional, não é detetável em máquinas de medição por coordenadas e pode passar na inspeção visual. Só se torna evidente na secção transversal metalúrgica ou — na pior das hipóteses — durante ensaios de fadiga ou em serviço, quando se inicia uma fissura superficial na zona frágil.
Nas aplicações aeroespaciais, a norma AMS 2801 estabelece dois limiares de temperatura fundamentais:
- Acima de 204 °C ao ar, começa a contaminação da superfície — as peças não devem ser expostas ao ar livre a partir deste ponto, de acordo com a Nota 8.5 da norma AMS 2801.
- As peças com dimensões líquidas não devem ser aquecidas a temperaturas superiores a 538 °C (1000 °F) em fornos a ar ou em atmosfera não inerte, a menos que estejam revestidos com um revestimento protetor. Qualquer camada alfa resultante deve ser removida por meios mecânicos ou químicos antes da aceitação.
- Nível de vácuo Para o tratamento térmico do titânio de acordo com a norma AMS 2801, o vácuo deve ser ≤0,1 µm Hg (10⁻⁴ torr). Muitos operadores de fornos de vácuo comerciais mantêm valores ainda mais rigorosos — a Solar Atmospheres e outras empresas semelhantes processam o titânio a níveis de vácuo bem abaixo deste limite mínimo.
Implicações práticas
Para o alívio de tensões a temperaturas iguais ou inferiores a 538 °C, um forno com atmosfera de ar é tecnicamente aceitável — estamos no limiar em que a oxidação é controlável. Mas, na prática, a maioria dos especialistas em tratamento térmico processa todo o titânio sob vácuo para eliminar qualquer risco.
Para o recozimento (691–760 °C para o Ti-6Al-4V) e o tratamento de solubilização (913–954 °C), O vácuo ou a atmosfera inerte são condições imprescindíveis. A taxa de crescimento da camada alfa aumenta drasticamente acima dos 700 °C. A realização do tratamento de solução do Ti-6Al-4V ao ar, sem proteção, produzirá uma camada alfa acentuada e peças que não passarão na inspeção de fadiga.
No que diz respeito especificamente às peças fabricadas por AM/LPBF: a geometria de forma final torna impraticável a remoção da camada alfa por usinagem. Tanto a norma ASTM F3301 como a AMS 2801 especificam que, por este motivo, os tratamentos térmicos do Ti-6Al-4V fabricado por LPBF devem ser realizados sob vácuo.
Condições de tratamento térmico e especificações AMS — Qual especificação deve constar no desenho
Uma das perguntas mais frequentes dos engenheiros que estão a dar os primeiros passos no mundo do titânio é: “Que especificação AMS devo indicar?” A resposta depende da forma do produto e das condições a que este será submetido.
| Especificações AMS | Forma do produto | Estado | Liga metálica |
|---|---|---|---|
| AMS 4928 | Barras, tarugos, peças forjadas | Recozido | Ti-6Al-4V (Grau 5) |
| AMS 4965 | Baras, peças forjadas | Tratado com solução + envelhecido | Ti-6Al-4V (Grau 5) |
| AMS 4967 | Baras, peças forjadas | Recozido, passível de tratamento térmico | Ti-6Al-4V (Grau 5) |
| AMS 4911 | Chapa, tira, placa | Recozido | Ti-6Al-4V (Grau 5) |
| AMS 4930 | Barra, fio, lingote, anéis | Recozido | Ti-6Al-4V ELI (Grau 23) |
| AMS 4931 | Barra, tarugo, anéis | Recozido | Ti-6Al-4V ELI (Grau 23) |
| AMS 4921 | Barras, fios, peças forjadas | Recozido | Níveis 1–4 do CP Ti |
| AMS 2801 | (Especificação do processo) | Tratamento térmico de peças | Todas as ligas de titânio |
Distinção importante: Os modelos AMS 4928, 4965 e 4911 são especificações dos materiais — são eles que determinam o que a fábrica envia. O AMS 2801 é um especificação do processo — determina a forma como um fabricante de peças ou uma oficina de tratamento térmico aplica o tratamento térmico às peças durante o fabrico.
Se o seu desenho indicar a norma AMS 4928 no bloco de especificação de materiais, significa que especificou barras de Ti-6Al-4V recozidas. Se também pretender um tratamento de alívio de tensões pós-usinagem (STA), é necessário incluir uma nota de processo separada que faça referência à norma AMS 2801, com os parâmetros específicos do tratamento.
Para os contratantes principais do setor aeroespacial, a norma AMS 4967 (“Recozida, passível de tratamento térmico”) é a especificação típica de aquisição de matéria-prima quando o fabricante da peça vai realizar o tratamento térmico (STA) em peças maquinadas ou forjadas. A barra chega recozida (fácil de maquinar) e o fabricante aplica o ciclo de tratamento térmico (STA) após a maquinação de desbaste.
Aço de grau 23 (Ti-6Al-4V ELI) — Diferenças no tratamento térmico que fazem a diferença
O Grau 23 não é apenas um “Grau 5 mais puro”. A química ELI altera o transus beta e os parâmetros de tratamento térmico de tal forma que utilizar os valores do Grau 5 em material do Grau 23 constitui um erro.
ELI significa «Extra-Low Interstitial» (nível intersticial extremamente baixo). Em comparação com o Grau 5 padrão:
- Oxigénio máximo: 0,13% (contra 0,20% no 5.º ano)
- Máximo de ferro: 0,25% (contra 0,40%)
- Nitrogénio máximo: 0,05% (igual)
Estes níveis intersticiais mais baixos reduzem o efeito estabilizador alfa do oxigénio e do ferro, o que faz com que o transus beta desça para aproximadamente 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F) — cerca de 18–22 °C abaixo do transus de Grau 5.
Parâmetros de tratamento térmico para a classe 23 (dados da ATI):
- Recozimento: 704–732 °C (1300–1350 °F), 1–8 horas, arrefecimento ao ar
- Alívio do stress: 482–649 °C (900–1200 °F), 1–4 horas, arrefecimento ao ar
- Tratamento da solução: Na mesma janela que no Grau 5 (904–954 °C), mas o transus mais baixo proporciona uma margem de processo ligeiramente mais ampla
Por que razão o Grau 23 raramente é objeto de STA na prática: As suas principais aplicações são os implantes cirúrgicos e os dispositivos ortopédicos (A norma ASTM F136 abrange o grau 23 para implantes). Nessas aplicações, a resistência máxima à fratura e a vida útil à fadiga do estado recozido são preferidas em detrimento da maior resistência do STA. O recozimento a 704–732 °C proporciona uma estrutura alfa equiaxial de grão fino com excelente resistência à fratura e ductilidade — exatamente o que os parafusos ósseos e as hastes de anca necessitam.
As normas AMS 4930 e AMS 4931 abrangem barras e tarugos de Grau 23 no estado recozido. A norma ASTM F136 regula especificamente o Grau 23 para implantes cirúrgicos.
Titânio pós-LPBF: Requisitos de tratamento térmico para peças fabricadas por impressão 3D
Se estiver a trabalhar com titânio obtido através da fusão a laser em leito de pó (LPBF) ou da deposição por energia direcionada (DED), as regras de tratamento térmico são, na sua maioria, as mesmas que para o titânio forjado — com uma diferença processual fundamental.
A norma ASTM F3301–18a (“Fabrico aditivo — Titânio 6Al-4V com fusão em leito de pó”) especifica que o pós-processamento térmico do Ti-6Al-4V obtido por LPBF deve ser realizado de acordo com AMS 2801. Por isso, aplicam-se os mesmos intervalos de temperatura.
A principal diferença reside na sequência e na atmosfera. As peças LPBF são fabricadas sobre um substrato de construção (placa de base) e, durante a impressão, desenvolvem-se tensões residuais significativas entre a peça e o substrato. A sequência é importante:
- Alívio de tensões antes da remoção do substrato. Aplicar o ciclo de alívio de tensões AMS 2801 (normalmente 593 °C / 1100 °F, 2 horas, vácuo) enquanto a peça ainda estiver fixada ao substrato. Isto liberta a maior parte da tensão residual de forma controlada.
- Retirar do substrato após o alívio de tensões. Elektroerosão por fio ou maquinagem.
- Recozimento ou STA conforme exigido pela aplicação.
Executar esta sequência ao contrário — retirando a peça do substrato antes de qualquer alívio de tensões — acarreta o risco de distorção ou fissuração, uma vez que as tensões internas são libertadas de forma descontrolada.
A atmosfera é um requisito imprescindível para o LPBF Ti-6Al-4V: Uma vez que a LPBF produz peças com formato final e superfícies complexas que não podem ser facilmente maquinadas para a remoção da camada alfa, todos os tratamentos térmicos acima de 538 °C devem ser realizados sob vácuo (≤0,1 µm Hg, de acordo com a norma AMS 2801). O processamento em forno a ar não é aceitável para peças de titânio fabricadas por LPBF.
Isto exclui qualquer empresa de tratamento térmico que não disponha de fornos a vácuo. Para os engenheiros que procuram serviços de tratamento térmico para titânio produzido por fabrico aditivo (AM), a conformidade com a norma AMS 2801 e a documentação adequada relativa ao nível de vácuo constituem os requisitos mínimos de qualificação.
Perguntas mais frequentes
Qual é a temperatura de recozimento do Ti-6Al-4V?
O intervalo padrão de recozimento para o Ti-6Al-4V (Grau 5) é 691–760 °C (1275–1400 °F), mantido durante ½ a 2 horas, seguido de arrefecimento ao ar ou no forno. A norma AMS 2801 especifica 704 °C (1300 °F) / 2 horas como valor predefinido para o recozimento ao nível da peça. Podem ser utilizadas temperaturas até 815 °C com uma atmosfera protetora, mas a contaminação (caso alfa) deve ser removida, caso esteja presente.
Qual é a temperatura do transus beta do Ti-6Al-4V?
A transus beta do Ti-6Al-4V é de aproximadamente 995 °C (1820 °F), com uma tolerância indicada pelo fabricante de ±14 °C (±25 °F). Os dados de produção da ATI relativos ao seu produto 6-4 referem 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F). Todos os parâmetros de tratamento térmico para o Ti-6Al-4V — recozimento, tratamento de solução, recozimento beta — são definidos em relação a esta temperatura. A classe 23 (ELI) apresenta um transus mais baixo, de cerca de 977 °C ± 4 °C.
O que é o tratamento de solução e envelhecimento (STA) do titânio?
O STA é um tratamento térmico de reforço em duas etapas para ligas de titânio alfa-beta. A liga é primeiro aquecida a uma temperatura inferior ao transus beta (913–954 °C para o Ti-6Al-4V) e temperada em água para fixar uma fase supersaturada de beta/martensite. Em seguida, é submetida a envelhecimento a uma temperatura mais baixa (524–552 °C para o Ti-6Al-4V, durante 4–8 horas) para precipitar alfa secundária fina, o que aumenta a resistência à tração em aproximadamente 20% em comparação com o estado recozido. O STA está abrangido pela norma AMS 4965 para barras e peças forjadas de Ti-6Al-4V.
O titânio pode ser submetido a tratamento térmico ao ar?
Apenas abaixo dos 538 °C (1000 °F). De acordo com a norma AMS 2801, as peças de titânio não devem ser expostas ao ar a temperaturas superiores a 538 °C sem uma atmosfera protetora ou revestimento. Acima desta temperatura, o oxigénio difunde-se para a superfície e forma caso alfa — uma camada dura e frágil, estabilizada com oxigénio, que reduz a resistência à fadiga. Todos os processos de recozimento, tratamento de solução e envelhecimento a temperaturas superiores a 538 °C devem ser realizados no vácuo (≤0,1 µm Hg) ou numa atmosfera de gás inerte.
Qual é a diferença entre o alívio de tensões e o recozimento no titânio?
O alívio de tensões (482–649 °C para o Ti-6Al-4V) elimina as tensões residuais resultantes da maquinagem, soldadura e conformação, sem alterar a microestrutura. O recozimento (691–760 °C) vai mais além: recristaliza a microestrutura e restaura a ductilidade total. Se uma peça de Ti-6Al-4V se encontrar na condição STA, um alívio de tensões preserva as propriedades de envelhecimento; um recozimento completo destrói-as.
Qual é a especificação AMS que abrange o Ti-6Al-4V no estado de tratamento de solução e envelhecimento?
AMS 4965 abrange barras e peças forjadas de Ti-6Al-4V no estado de tratamento de solução e envelhecimento (STA). A norma AMS 4928 abrange as mesmas formas de produto no estado recozido. A norma AMS 2801 é a especificação de processo que rege o próprio ciclo de tratamento térmico, aplicado pelo fabricante da peça.
Por que é que o titânio de grau 2 não pode ser reforçado através de tratamento térmico?
O titânio de grau 2 é titânio comercialmente puro (CP) — não contém elementos estabilizadores da fase beta significativos, como o vanádio. Sem a fase beta, não se formam precipitados durante o envelhecimento. As ligas de titânio CP só podem ser recozidas (para amolecer e restaurar a ductilidade) ou submetidas a um tratamento de alívio de tensões. O reforço deve ser obtido através de trabalho a frio, em vez de tratamento térmico.
O que é o «alpha case» no titânio e como se previne?
A camada alfa é uma camada superficial rica em oxigénio e azoto que se forma quando o titânio é aquecido acima dos 538 °C ao ar. Apresenta características metalúrgicas semelhantes às do metal de base, mas é mais dura e mais frágil. Prevenção: realizar o tratamento térmico apenas em vácuo ou em gás inerte a temperaturas superiores a 538 °C, de acordo com a norma AMS 2801. Detecção: secção transversal metalográfica; corrosão sensível à espessura. Correção: remoção mecânica (retificação) ou remoção química (decapagem ácida, de acordo com a norma AMS 2801).
Resumo: O que realmente importa no tratamento térmico do titânio
Depois de analisar milhares de certificações de tratamento térmico de Ti-6Al-4V e de identificar mais do que algumas rejeições inesperadas, eis o que diria a um engenheiro júnior que está a dar os primeiros passos no mundo do titânio:
O transus beta é o teu ponto de referência para tudo. Tenha em conta o seu calor específico, e não apenas o valor nominal. O Ti-6Al-4V tem um calor específico de aproximadamente 995 °C — mas verifique o relatório de ensaio do material certificado (CMTR) para obter o valor exato do calor específico antes de definir as temperaturas do forno para o tratamento de solubilização.
O titânio CP não pode ser reforçado por tratamento térmico. Se um projeto exigir elevada resistência, a resposta é Ti-6Al-4V STA — não se destina a tratamento térmico 2.
O vácuo não é opcional a temperaturas superiores a 538 °C. As falhas do tipo «Alpha» estão entre as mais dispendiosas na produção aeroespacial: as peças podem passar em todas as inspeções dimensionais e, mesmo assim, ter de ser descartadas. O custo de um ciclo adequado num forno a vácuo é insignificante quando comparado com o descarte de peças acabadas ou — pior ainda — com falhas de funcionamento.
O tamanho da secção limita a eficácia do STA. O Ti-6Al-4V endurece totalmente em secções com até aproximadamente 15–25 mm. Se a sua aplicação necessitar de propriedades STA numa secção transversal de 50 mm, será necessária uma abordagem de conceção diferente.
Primeiro, o alívio de tensões; depois, o acabamento. No caso de peças usinadas complexas, deve-se proceder ao alívio de tensões após a usinagem de desbaste, para libertar as tensões acumuladas antes dos cortes de acabamento. Esta sequência mantém as tolerâncias rigorosas e evita a deformação em paredes finas.
As temperaturas de recozimento do Grau 23 são ligeiramente diferentes das do Grau 5. 704–732 °C vs. 691–760 °C — valores próximos, mas o transus beta mais baixo é importante, especialmente no tratamento por solução. Utilize parâmetros específicos para a classe 23.
Os parâmetros técnicos apresentados neste guia provêm da ficha técnica do Ti-6Al-4V da ATI, do documento sobre as propriedades do Timetal 6-4 da TIMET, da ficha técnica do CP Ti Grau 2 da Carpenter Technology, da norma AMS 2801D e de estudos publicados na revista «Thermal Processing Magazine» e na revista «Scientific Reports». Estas são as mesmas fontes que uma oficina de tratamento térmico utiliza para redigir as suas instruções de trabalho — e são as fontes corretas a citar num desenho técnico ou numa ordem de compra.
