Tratamento térmico da liga de titânio Ti6Al4V

Como sabemos, o titânio é um metal extremamente ativo e facilmente poluído por hidrogénio, oxigénio e carbono, qualquer uma destas substâncias pode afetar a liga de titânio, pelo que é essencial controlar o artigo desde o material, equipamento, processo, teste e manutenção e assim por diante. O processo de tratamento térmico das ligas de titânio deve ser feito sob controlo rigoroso, para além de se utilizar um forno de vácuo com proteção de árgon, as ligas de titânio devem ser aquecidas numa atmosfera oxidante. Este processo envolve controlos precisos e tem de remover a camada de óxido da superfície da peça. A liga e o tratamento térmico razoáveis podem melhorar efetivamente as propriedades das ligas de titânio. Existem muitos métodos de tratamento térmico, para a liga de titânio de grau 5, o recozimento, o envelhecimento por têmpera e o tratamento térmico químico são normalmente utilizados.

O recozimento é o único método de tratamento térmico para o titânio puro e a liga de titânio α. O recozimento é adequado para todos os tipos de ligas de titânio para eliminar o stress e melhorar a plasticidade da liga e a microestrutura estável. O processo de recozimento é utilizado para várias ligas de titânio. O objetivo do recozimento é melhorar a plasticidade do material e estabilizar a sua estrutura. O processo pode ser efectuado de três formas: recozimento de alívio de tensões, recozimento de recristalização e recozimento duplo.

O recozimento é efectuado em forno de ar, ou recozimento em forno de gás inerte ou forno de vácuo, se houver necessidade de contaminação da superfície das peças. Durante o recozimento isotérmico, deve ser utilizado um conversor ou arrefecimento a ar se o tamanho da peça for demasiado grande para evitar uma microestrutura demasiado grande devido a uma velocidade de arrefecimento demasiado lenta. No recozimento duplo, arrefecimento a ar após o primeiro aquecimento, as peças de titânio devem ser arrefecidas de forma dispersa, arrefecimento a ar forçado, se necessário, para evitar que uma velocidade de arrefecimento demasiado lenta afecte o desempenho.

Recozimento de titânio de grau 5

Grau	Chapas/fitas de titânio			Barra/fios de titânio
	Temperatura	Tempo/min	Arrefecimento	Temperatura	Tempo	Arrefecimento
Grau 5	700℃-870℃	15-60	Arrefecimento do ar	700℃-800℃	60-120	Arrefecimento do ar

Nota: Arrefecimento do ar ou arrefecimento mais lento. Quando o recozimento duplo, a temperatura de transição β abaixo de 15 ~ 30 ℃ por 1 ~ 2h, resfriamento ao ar ou resfriamento mais rápido e, em seguida, 705-760 ℃ por 1 ~ 2h, resfriamento ao ar.

Os parâmetros de controlo do tratamento térmico da liga de titânio incluem a temperatura da solução, o tempo de solução, o modo de arrefecimento (arrefecimento com água, arrefecimento com óleo, arrefecimento no forno) e a temperatura de envelhecimento. Diferentes ligas de titânio requerem diferentes temperaturas de recozimento. Se for necessário um recozimento β ou um tratamento térmico de solução β, Liga de Gr.5 ou outra liga do tipo α-β deve ser mantida por pelo menos 30min acima da temperatura de transição β do lote de peças (30 ± 15) ℃ e, em seguida, resfriada à temperatura ambiente no ar ou gás inerte, não permitida com o resfriamento do forno. Se a têmpera com água for necessária, ela deve ser mantida a 730 ~ 760 ℃ por 1 ~ 3h após a têmpera com água antes do segundo recozimento.

O recozimento é o único método de tratamento térmico para o titânio puro e a liga de titânio α. O recozimento é adequado para todos os tipos de ligas de titânio para eliminar o stress e melhorar a plasticidade da liga e a microestrutura estável. O processo de recozimento é utilizado para várias ligas de titânio. O objetivo do recozimento é melhorar a plasticidade do material e estabilizar a sua estrutura. O processo pode ser efectuado de três formas: recozimento de alívio de tensões, recozimento de recristalização e recozimento duplo.

O recozimento é efectuado em forno de ar, ou recozimento em forno de gás inerte ou forno de vácuo, se houver necessidade de contaminação da superfície das peças. Durante o recozimento isotérmico, deve ser utilizado um conversor ou arrefecimento a ar se o tamanho da peça for demasiado grande para evitar uma microestrutura demasiado grande devido a uma velocidade de arrefecimento demasiado lenta. No recozimento duplo, arrefecimento a ar após o primeiro aquecimento, as peças de titânio devem ser arrefecidas de forma dispersa, arrefecimento a ar forçado, se necessário, para evitar que uma velocidade de arrefecimento demasiado lenta afecte o desempenho.

Recozimento de titânio de grau 5

Grau	Chapas/fitas de titânio			Barra/fios de titânio
	Temperatura	Tempo/min	Arrefecimento	Temperatura	Tempo	Arrefecimento
Grau 5	700℃-870℃	15-60	Arrefecimento do ar	700℃-800℃	60-120	Arrefecimento do ar

Nota: Arrefecimento do ar ou arrefecimento mais lento. Quando o recozimento duplo, a temperatura de transição β abaixo de 15 ~ 30 ℃ por 1 ~ 2h, resfriamento ao ar ou resfriamento mais rápido e, em seguida, 705-760 ℃ por 1 ~ 2h, resfriamento ao ar.

Os parâmetros de controle do tratamento térmico da liga de titânio incluem temperatura da solução, tempo de solução, modo de resfriamento (resfriamento com água, resfriamento com óleo, resfriamento do forno) e temperatura de envelhecimento. Se for necessário recozimento β ou tratamento térmico de solução β, a liga Gr5 ou outra liga do tipo α-β deve ser mantida por pelo menos 30 minutos acima da temperatura de transição β do lote de peças (30 ± 15) ℃ e, em seguida, resfriada à temperatura ambiente no ar ou gás inerte, não permitido com resfriamento do forno. Se a têmpera com água for necessária, ela deve ser mantida a 730 ~ 760 ℃ por 1 ~ 3h após a têmpera com água antes do segundo recozimento.

Recozimento para alívio de tensões

A têmpera de alívio de tensões do aquecimento e isolamento do titânio deve estar de acordo com a norma. Após o isolamento, as peças devem ser arrefecidas em ar ou gás inerte ou com o forno. A temperatura de aquecimento do recozimento de alívio de tensões não deve exceder a temperatura de envelhecimento ou a temperatura de recozimento da fase 2 para ligas de titânio que tenham sido tratadas com uma solução e envelhecidas ou submetidas a recozimento duplo.

As temperaturas utilizadas para o recozimento de alívio de tensões são inferiores às da recristalização e o tempo de recozimento é geralmente mais curto do que o da recristalização. Este processo é efectuado para reduzir as tensões residuais durante o fabrico. O processo produz combinações óptimas de resistência, ductilidade e estabilidade dimensional. Pode ser utilizado para reduzir as tensões residuais indesejáveis durante as operações subsequentes, incluindo a maquinagem e o tratamento térmico. É ideal para ligas de titânio de fase dupla e pode também melhorar a sua resistência à corrosão sob tensão. Mas se quiser evitar o tratamento térmico, este método não é recomendado para si.

Este processo pode ser efectuado a uma temperatura superior à temperatura beta transus (transição beta), que é o ponto em que a fase alfa desaparece e a microestrutura se transforma numa estrutura de tipo cúbico. Este método é utilizado para melhorar as propriedades mecânicas das peças de liga de titânio que necessitam de ser moldadas em formas complexas.

Recozimento para alívio de tensões de titânio de grau 5

Ligas	Temperatura	Tempo/min
Grau 5	480℃ -650℃	60-240

Nota: O recozimento de alívio de tensão pode ser concluído simultaneamente a 760 ~ 790 ℃ com formação a quente.

Recozimento isotérmico

O recozimento isotérmico proporciona a melhor plasticidade e estabilidade térmica. É uma boa escolha para ligas de titânio bifásicas que contêm grandes quantidades de elementos b-estabilizados. O processo requer o aquecimento da liga acima da temperatura de recristalização e a transferência para um forno de temperatura mais baixa. O calor preservado durante este processo é transferido para a superfície da liga por arrefecimento com ar. Este processo pode ser repetido várias vezes para se obter o resultado desejado.

Recristalização Recozimento

O processo de recozimento de recristalização é um método de ajuste da temperatura de um tipo específico de liga de titânio para eliminar tensões básicas. O objetivo do recozimento de recristalização é atingir as propriedades desejadas de plasticidade e resistência. A temperatura para o recozimento de recristalização é geralmente entre 450 e 650 ℃.

Durante o processo de recozimento por tração, a recristalização de uma liga de titânio ocorre simultaneamente com um deslizamento de deslocação. Isso é conhecido como um fenômeno de rendimento duplo. A temperatura de recozimento de 920 ℃ aumenta a resistência, enquanto diminui a plasticidade. Após a recristalização, uma fase secundária é precipitada. O tempo de recozimento prolongado não é significativo na determinação das propriedades mecânicas finais das ligas de titânio.

O envelhecimento por têmpera é a principal forma de fortalecimento do tratamento térmico da liga de titânio Ti6Al4V, que utiliza a transformação de fase para produzir o fortalecimento, também conhecido como tratamento térmico de fortalecimento. Após o tratamento da solução, as peças de liga de titânio devem ser tratadas com envelhecimento de acordo com as disposições (veja a tabela abaixo). Após o envelhecimento, as peças são arrefecidas em ar ou gás inerte ou com o forno.

Envelhecimento por têmpera do titânio Gr.5 

Grau	Temperatura	Tempo/h
Grau 5	480℃ -690℃	2-8

O tratamento térmico químico da liga de titânio tem como principal objetivo melhorar a resistência ao desgaste, a estabilidade térmica e a resistência da superfície. Como sabemos, a liga de titânio tem um grande coeficiente de atrito e uma fraca resistência ao desgaste (geralmente cerca de 40% inferior ao aço), e a sua superfície de contacto é fácil de unir e causa corrosão por atrito. A liga de titânio tem uma forte resistência à corrosão em meio oxidante, mas uma fraca resistência à corrosão em meio redutor (ácido clorídrico, ácido sulfúrico, etc.). Para melhorar estas propriedades, podem ser utilizados a galvanoplastia, a pulverização e o tratamento térmico químico, ou seja, a nitretação, a oxigenação e outros métodos. Após a nitretação, a dureza da superfície nitretada é 2-4 vezes superior à da superfície sem nitretação, o que pode obviamente melhorar a resistência ao desgaste da liga e melhorar a sua resistência à corrosão em meio redutor. A resistência à corrosão da liga pode ser aumentada 7 a 9 vezes por oxigenação, mas a desvantagem é que há alguma perda de plasticidade e resistência à fadiga.