OTIMIZAÇÃO DA DENSIFICAÇÃO DE LIGAS DE TITÂNIO PROCESSADAS P0R METALURGIA DO PÓ RESUMO

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OTIMIZAÇÃO DA DENSIFICAÇÃO DE LIGAS DE TITÂNIO PROCESSADAS P0R METALURGIA DO PÓ

V.A.R. Henriques¹, C.A.A. Cairo¹, C.R.M. Silva¹, C.E.Bellinati¹, M.L.A. Graça¹, D.S. Almeida¹ Rua Mar del Plata N. 1046, Apto. 13, Jardim Paraíso, São José dos Campos-SP, CEP:12235-340

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1- AMR - Divisão de Materiais - Instituto de Aeronáutica e Espaço- Centro Técnico Aeroespacial

RESUMO

As ligas de titânio se caracterizam por sua elevada relação resistência mecânica/peso e boa resistência à corrosão, habilitando a sua utilização nos setores aeroespacial e biomédico. O processamento de ligas de titânio via metalurgia do pó possibilita a obtenção de peças com geometria complexa, próxima às dimensões finais e provavelmente a custos mais acessíveis.

Amostras de titânio e da liga Ti-6Al-7Nb foram obtidas a partir da sinterização dos pós elementares em vácuo. O pó de titânio foi produzido pelo processo HDH e utilizado na forma hidrogenada visando a redução de custos e aumento da taxa de sinterização. Foi realizado um estudo variando-se o tempo de moagem buscando obter-se a distribuição granulométrica ideal para a obtenção de amostras com elevada densificação. As Amostras foram sinterizadas a 1500 °C em vácuo, com taxa de aquecimento de 20 °C/min. Após a sinterização, as amostras foram caracterizada com o auxílio de microscopia eletrônica de varredura, análise granulométrica e morfológica, e determinação da massa específica. As amostras sinterizadas apresentaram elevada densificação e homogeneidade microestrutural. Os parâmetros de processo foram definidos visando a obtenção da máxima densificação, evitar o crescimento de grão exagerado durante a sinterização e reduzir a absorção de intersticiais (O, C, N e H).

Palavras-chave: Metalurgia do pó, Produção de pós, Densificação, Ligas de titânio, Sinterização.

1. INTRODUÇÃO

O processo de obtenção de ligas de titânio por metalurgia do pó (M/P), a partir dos pós elementares, mostra-se uma alternativa viável à produção de peças para as indústrias aeronáutica, química e naval e também para o setor de implantes por apresentar maiores facilidades operacionais e possivelmente reduzir o custo final de fabricação ⁽¹⁾. O estudo dos parâmetros de moagem visa estabelecer a distribuição granulométrica ideal dos pós de titânio para que seja possível obter peças com elevada densificação, viabilizando sua utilização nas áreas aeroespacial e biomédica.

O presente trabalho faz parte de um estudo que objetiva estabelecer as características ideais dos pós de titânio para que seja possível obter uma máxima densificação de amostras de novas ligas de titânio. Neste trabalho foi investigada a influência da distribuição granulométrica na densificação.

Foram realizados análises sobre a variação dos tempos de moagem dos pós titânio e sobre a morfologia dos pós obtidos, incluindo-se nesse estudo a obtenção e caracterização microestrutural da liga Ti-6Al-7Nb, um liga da classe α+β, que possui propriedades próximas às apresentadas pela liga Ti-6Al-4V, que é a liga de titânio mais utilizada ⁽²⁾.

“A M/P visa transformar pós metálicos, utilizando pressão e calor, por meio de um tratamento térmico de sinterização que substitui a fusão clássica e que se realiza a temperatura inferior ao ponto de fusão do metal mais importante. As duas técnicas mais utilizadas para a obtenção de ligas de titânio por metalurgia do pó são ^(3,): “prealloyed” (PA), técnica que utiliza pós pré-ligados, e “blended elemental” (BE), técnica que utiliza a mistura dos pós elementares e visa eliminar os altos custos do primeiro processo.

Nesse trabalho foi utilizado o processo de hidrogenação-desidrogenação (HDH) que é um método de obtenção de pós metálicos que se utiliza da ação do hidrogênio para a fragilização dos metais. Essa técnica é preferencialmente aplicável ao zircônio, titânio e nióbio, em razão desses metais serem capazes de absorver grandes quantidades de hidrogênio em elevadas temperaturas.

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Uma vez que a solubilidade do hidrogênio a 25^oC nesses metais é muito baixa, o excesso de hidrogênio precipita-se na forma de um hidreto frágil, que é facilmente moído ⁽⁴⁾,⁽⁵⁾.

Os mecanismos de densificação de um pó uniforme durante a compressão são bem conhecidos. Ã baixa pressão, a densificação é resultado do rearranjo das partículas. Idealmente, o rearranjo deveria levar à máxima densificação do pó, o que depende da distribuição do tamanho de partículas e de sua morfologia. A maioria dos pós produzidos apresenta morfologia irregular. As partículas com morfologia esférica são o caso mais simples e mais ideal de uma partícula equidimensional e são aparentemente mais favoráveis à compactação ⁽⁶⁾. Entretanto, a forma irregular por apresentar uma maior interação dos contornos das várias partículas entre si, tende a produzir compactados com melhores características de sinterização. É importante levar em conta a distribuição das dimensões da partícula para se alcançar uma máxima densificação e consequentemente melhores propriedades finais. Uma composição granulométrica com uma maior quantidade de partículas mais finas tende a aumentar a densidade aparente da mistura principalmente se a forma da partícula deixa de ser esférica, característica comum nos pós metálicos.

A presença de partículas muito finas pode levar ao chamado efeito “” (bridging), ocasionando a formação de cavidades na massa do pó ⁽⁶⁾. Atualmente, há um consenso entre os pesquisadores de que a distribuição granulométrica ideal de uma mistura de pós deveria apresentar quantidades próximas de partículas finas, medianas e grossas, para que a quase totalidade dos interstícios fosse ocupada ⁽⁷⁾.

A densificação pode resultar na deformação plástica das partículas ou em sua fragmentação, dependendo de suas propriedades de ductilidade e fragilização na temperatura de compressão. O processo de deformação das partículas pode levar à completa densificação do compactado, se a pressão de compactação é alta o bastante ou se o tempo de patamar é o suficiente. A fragmentação permite uma boa compactação mas não proporciona uma completa densificação ⁽⁸⁾.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Os pós de titânio foram produzidos a partir do processo HDH. Foram utilizados finos de esponja (produzidas no CTA). A etapa de hidrogenação foi realizada 500 °C, em um forno de alto vácuo (10^-7 torr), durante aproximadamente 3 h, com pressão de 1 atm (manométrica). Após o resfriamento ao forno, o material, friável, foi moído em um moinho com tambor e bolas de titânio. Os pós de nióbio foram obtidos por esta mesma rota, porém com temperatura de 800 °C. O pó de aluminio foi cedido pela Valimec Inc . Os pós foram utilizados em seu estado hidrogenado, visando eliminar os elevados custos da etapa de desidrogenação e ativar a sinterização, pela presença do hidrogênio durante o processo. Foram realizadas análises granulométricas em amostras de pós de titânio hidrogenado (TiH2) com tempos de moagem de 30 min, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 24 e 36 h.

Após se estipular a faixa de distribuição granulométrica ideal do pó de titânio, efetuou-se a preparação dos pós de titânio e da liga Ti-6Al-7Nb para se avaliar a densificação após compactação e sinterização. Utilizou-se uma carga de 1,5 g por amostra. Após a mistura, os pós foram prensados uniaxialmente a frio em uma prensa manual, sob pressão de 40 MPa, em matrizes cilíndricas de 6 mm de diâmetro, com camisa flutuante. A seguir, as amostras obtidas foram compactadas isostaticamente a frio, sendo aplicada uma pressão de 200 MPa por 30 s.

As amostras foram sinterizadas a 1400 °C, em um forno à vácuo (10^-7 torr), com taxa de aquecimento de 20 °C/min. Após atingir a temperatura especificada, as amostras permaneceram nesse patamar por uma hora.

A caracterização das amostras foi realizada com o auxílio de microscopia eletrônica de varredura. O ataque químico utilizado foi o Kroll, na seguinte proporção: 3mL HF: 6mL HNO3: 100mL H2O. As micrografias foram obtidas pelo microscópio Phillips modelo XL30. A análise da distribuição granulométrica foi realizado por lazer (laser) utilizando-se o equipamento Cilas) A massa específica das amostras sinterizadas foi determinada pelo método de Arquimedes.

3. RESUTADOS E DISCUSSÕES

Na análise das curvas de distribuição granulométrica, observou-se uma redução do tamanho médio de partícula (de 19,94 para 4,90 µm), com o aumento do tempo de moagem (Figura 1).

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0,1 1 10 100 0

20 40 60 80 100

Histograma (% x20)

TiH2 - 30min 19,94 µm

Fração acumulada (%)

Diâmetro esférico equivalente (µm)

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100

Histograma (% x20)

TiH₂ - 1 h 17,96 µm

(a) 30 min (b) 1 hora

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100 TiH2 - 2 h

13,80 µm

Histograma (% x20)

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100 TiH2 - 3h

10,95 µm

(c) 2 horas (d) 3 horas

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100 TiH₂ - 4 h

9,81 µm

Histograma (% x20)

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80

100 TiH₂ - 5 h 9,50 µm

Histograma (% x20)

(e) 4 horas (f) 5horas

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100 TiH₂ - 6 h

8,78 µm

Histograma (% x20)

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100 TiH2 - 12 h

7,46 µm

Histograma (% x20)

(g) 6 horas (h) 12 horas

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100

Histograma (% x20)

Diâmetro esférico equivalente (µm) TiH2 - 24 h

5,58 µm

0,1 1 10 100

0 20 40 60 80 100

Histograma (% x20)

TiH2 - 36 h 4,90 µm

(i) 24 horas (j) 36 horas

Figura 1- Distribuição granulométrica dos pós de titânio hidrogenado (TiH2) moídos de 6 min a 36 h.

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Nas amostras moídas em tempos menores (30 min a 6 h) observou-se uma maior percentagem de partículas com diâmetro médio maior, em torno de 15 mm. Com o aumento do tempo de moagem, ocorreu o estabelecimento de uma freqüência trimodal, em torno dos diâmetros médios de 1, 6 e 15 mm, representando a condição mais propícia para uma boa densificação.

Na análise das morfologias dos pós foi observada uma relativa tendência ao arredondamento das partículas com o aumento do tempo de moagem (Figura 2).

(a) 30 minutos (b) 1 hora

(c) 2 horas (d) 3 horas

(e) 4 horas (f) 5 horas

(g) 24 horas (h) 36 horas

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Para as amostras de pós de titânio moídas em tempos menores (30 min e 1h) observou-se uma morfologia mais irregular e alongada e, a partir de 2 h, os pós apresentaram uma morfologia tipicamente angular e com baixa razão de aspecto ( ≅ 1,5). Após essas análises escolheu-se o pó de titânio moído em 36 h por ser o mais representativo de uma distribuição igualitária de pós com tamanhos pequenos, médios e grandes. Entretanto, o efeito da distribuição dos tamanhos de partícula é complexo. O aumento da dispersão do tamanho de partícula proporciona uma maior densificação durante a compactação, pois uma mistura de partículas finas e grossas proporciona melhores características de compactação, no entanto, uma distribuição larga demais aumenta a área superficial efetiva, podendo resultar em uma baixa compactação.

Os resultados de densificação em amostras contendo apenas titânio estão apresentados na Tabela I. Após a sinterização ocorre o aumento da densificação em 30%, (Figura 3).

Tabela I- Densificação das amostras de titânio após compactação uniaxial a frio e após sinterização (% da densidade teórica).

Amostra Massa (g)

Densidade (%) (Compactação a frio)

Densidade (%) (Sinterização)

1 1,49 67,90 98,23

2 1,50 67,98 98,45

3 1,48 67,95 99,71

Figura 3- Fotografia apresentando a redução volumétrica entre as amostras prensadas isostaticamente a frio e após sinterização

As amostras da liga Ti-6Al-7Nb apresentaram uma microestrutura Widmanstätten bifásica em toda sua extensão, típica de uma liga da classe (α+β). Os valores de densificação ficaram próximos aos apresentados pelas amostras contendo apenas pós de titânio, 70% após prensagem isostática a frio e 99% após sinterização (Figura 4).

(a) (b)

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Figura 4- Microestrutura de amostras da liga Ti-6Al-7Nb sinterizada a 1400 °C. (a) distribuição da porosidade e (b) região de contornos de grão.

4. CONCLUSÕES

1- Os valores de densificação alcançados foram animadores (acima de 98% após sinterização). A utilização de pós com tempo de moagem superior a 24 h mostrou-se adequada proporcionando compactados com baixa porosidade. Os resultados demonstram que parece ser necessária uma mistura entre os pós com diversos tempos de moagem para se alcançar uma distribuição granulométrica perfeita ao se visar uma máxima densificação.

2- Uma distribuição granulométrica mais adequada pode aumentar a taxa de densificação após prensagem isostática a frio, o que iria contribuir para a densificação quase total das amostras, uma vez que a etapa de sinterização contribuiu em cerca de 30% na densificação total das amostras.

3- A utilização de prensagem uniaxial ou isostática a quente pode não ser necessária em amostras obtidas por esse processo, principalmente, se suas aplicações não exigirem elevado desempenho.

4- Devido à completa dissolução dos elementos de liga na matriz de titânio, uma boa combinação de microestrutura, propriedades mecânicas e densificação pôde ser alcançado nas amostras da liga Ti- 6Al-7Nb.

5- A combinação da utilização de pós de titânio de relativo baixo custo, técnicas de compactação de alta produtividade e boas propriedades mecânicas pode tornar mais atrativa a utilização de titânio em aplicações diversas.

REFERÊNCIAS

1- M.J. Donachie, Titanium a technical guide, ASM, (1988).

2- V.A.R. Henriques, C.E. Bellinati, C.R.M. Silva, Production of Ti–6%Al–7%Nb alloy by powder metallurgy (P/M) Journal of Materials Processing Technology , v. 118, (2001), p. 212-215.

3- R, M German, Sintering Theory and Practice, John Wiley & Sons, (1996).

4- V.S. Arunachalan, Powder Metallurgy of Titanium, in Titanium and Titanium Alloys, Ed. J.C.

William, A.F., and Belov, V. 3, (1982).

5- R.K. Mallik, Progress in Powder Metallurgy, Ed. Smith, Metal Powder Industry, (1975).

6- D., Bouvard, Densification behavior of mixtures of hard and soft powders under pressure, Powder Technology, v.11, (2000), p. 231-239,.

7- F.H. Froes The Production of Low-Cost Titanium Powders, Journal of Metals, (1998).

8- V.A.R., Henriques, C.R.M., SILVA, H.R.Z. Sandim, Use of titanium powders obtained by the sponge screening and for the HDH process in the titanium alloys production for powder metallurgy, Anais do III International Latin-American Conference on Powder Technology, 2001.

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DENSITY OPTIMIZATION OF TITANIUM ALLOYS PRODUCED BY POWDER METALLURGY

ABSTRACT

Titanium is a very light metal with a large useful range of mechanical properties, exceptional high corrosion resistance and can be used over a wide range of temperatures. Despite of their great potential, the high production cost of titanium-based parts limited their use to the aerospace and chemical industries. In the last years, new manufacturing techniques turned the market of this metal more competitive. In this concern, the production of titanium alloys by powder metallurgy, starting from the elementary or prealloyed powders, is a viable route due to the lower costs and larger operational means. A study varying the time of milling was carried out to get the ideal grain size distribution for the samples production with raised densification. Samples of titanium and Ti-6Al-7Nb alloy were produced by sintering of elementary powders in vacuum. The titanium powder was produced by HDH process and used in the hydride form, aiming at the reduction of costs and increase of the sintering rate. The alloy was characterized by means of scanning electron microscopy, granulometric distribution, morphology analysis and density. The samples presented high densities and homogeneous microstructure. Processing parameters were optimized in order to reduce the interstitial pick-up (O,C,N and H) and to minimize grain growth during sintering.

Key words: Powder metallurgy, Powder production, Densification, Titanium alloy, Sintering.