Pó Ti3Al: Composição, Propriedades, Aplicações e Mais

Algumas das principais propriedades e características do pó Ti3Al incluem:

• Alta resistência a temperaturas elevadas de até 750¡«C
• Densidade com cerca da metade do que as superligas de níquel
• Resistência excepcional à corrosão
• Baixa densidade em comparação com outras ligas de titânio
• Resistência à oxidação até cerca de 700°C
• Resistência ao desgaste
• biocompatibilidade

No entanto, o Ti3Al também tem algumas limitações como má ductilidade em temperatura ambiente, baixa tenacidade à fratura e má soldabilidade. Otimizações adequadas de processamento e adições de liga são necessárias para otimizar o equilíbrio de propriedades para diferentes aplicações.

Este artigo fornece uma visão geral detalhada da composição, propriedades, aplicações, fornecedores, custos, métodos de teste e outros detalhes técnicos relacionados ao pó de Ti3Al.

Composição do pó de Ti3Al

O pó Ti3Al tem uma composição nominal de 75% de titânio e 25% de alumínio em peso. O composto intermetálico alumineto de titânio se forma entre 50-75% de alumínio, sendo Ti3Al a versão mais comum.

A composição exata pode variar dependendo do método de produção. Outros elementos como Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C e O geralmente são adicionados em pequenas quantidades para aprimorar determinadas propriedades. A tabela abaixo mostra a faixa de composição típica:

Elemento	Peso %
Titânio (Ti)	69 – 76%
Alumínio (Al)	24 – 31%
Nióbio (Nb)	0 – 6%
Molibdênio (Mo)	0 – 4%
Silício (Si)	0 – 2%
Boro (B)	0 – 0.5%
Tântalo (Ta)	0 – 5%
Tungstênio (W)	0 – 5%
Carbono (C)	0 – 0.1%
Oxigênio (O)	0 – 0.2%

Controlar o teor de oxigênio e carbono é fundamental para evitar fragilização e manter a ductilidade. Outros elementos de traço também podem estar presentes dependendo das matérias-primas e do processo.

Propriedades do pó de Ti3Al

As propriedades únicas do pó Ti3Al surgem da sua estrutura de cristal intermetálico ordenado consistindo em átomos de titânio e alumínio. Algumas das propriedades notáveis incluem:

Alta resistência à temperatura

O Ti3Al mantém resistência relativamente alta até 750 °C, significativamente melhor do que o titânio ou o alumínio sozinhos. Isso o torna adequado para aplicações em temperatura elevada em motores, turbinas, válvulas, etc. A tabela abaixo compara a resistência do Ti3Al com a de outras ligas de titânio em diferentes temperaturas:

Liga	Resistência (MPa) à temperatura ambiente	Resistencia mecânica a 500°C (MPa)	Densidade (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Baixa Densidade

Com densidade em torno de 3,7 a 4,1 g/cm³, o Ti3Al é muito mais leve do que as superligas de níquel e a maioria das outras ligas de titânio. Isso ajuda a reduzir o peso do componente, crítico em aplicações aeroespaciais.

Resistência à oxidação

Ti3Al oferece boa resistência à oxidação até 700 °C no ar, melhor do que o titânio não ligado. Isso permite operar em altas temperaturas sem perda excessiva de material.

Resistência à corrosão

O teor de titânio confere ao Ti3Al excelente resistência à corrosão a uma ampla gama de ácidos, álcalis e em ambientes salinos. Isto o torna útil em equipamentos de processamento químico.

Resistência ao desgaste

A liga Ti3Al tem boa resistência à abrasão e erosão, comparável ao aço, o que a torna adequada para aplicações de alto desgaste como válvulas, bombas e matrizes de extrusão.

Contudo, o Ti3Al também sofre de desvantagens como:

• Má ductilidade e tenacidade à fratura em temperatura ambiente
• Difícil de fabricar e de usinar
• Soldabilidade reduzida devido à suscetibilidade a trincas

Processamento adequado e acréscimos de ligas são necessários para otimizar o equilíbrio das propriedades para a aplicação pretendida.

Aplicações do Pó Ti3Al

As propriedades únicas do pó Ti3Al tornam-no apropriado para as seguintes aplicações:

Aeroespacial

A indústria aeroespacial é o maior consumidor de produtos Ti3Al devido à necessidade de redução de peso, resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação. As aplicações típicas incluem:

• Pás de turbina, álabes, discos
• Câmaras de combustão, pós-queimadores
• Armações de aeronaves, componentes estruturais
• Tubos hidráulicos e válvulas

Automotivo

A indústria automotiva utiliza o Ti3Al para componentes de turbocompressor, válvulas, molas, fixadores e peças do sistema de escapamento que requerem resistência a altas temperaturas e peso menor.

Processamento químico

Ti3Al é usado em componentes como válvulas, bombas, conexões de tubos, vasos de reação que requerem resistência à corrosão combinada com propriedades mecânicas de alta temperatura.

Biomédico

A biocompatibilidade, resistência à corrosão e força do Ti3Al o tornam adequado para implantes ortopédicos como juntas artificiais do quadril.

Outras aplicações incluem válvulas de alto desempenho, matrizes de extrusão, elementos de aquecimento e artigos esportivos. Ti3Al também é usado como pó de manufatura de aditivos.

Especificações do Pó Ti3Al

O pó de Ti3Al está disponível em diversas faixas de tamanho, morfologias e níveis de pureza dependendo do processo de produção. As principais especificações são apresentadas abaixo:

Especificação	Detalhes
Tamanhos de Partículas	15 – 150 micras
Morfologia	Esférico, angular, misto
Densidade Aparente	2 - 3,5 g/cm3
Densidade Batida	3 – 4,5 g/cm3
Pureza	99%, 99,9%
Teor de Oxigênio	¨P 0,2 % em peso
Teor de Nitrogênio	¨P 0,05 wt%
Teor de carbono	¨P 0.08 wt%
Conteúdo de ferro	¨P 0,30 % em peso
Teor de níquel	"P 0,10% em peso
Pacotes padrão	5kg, 10kg, 25kg would be translated to Portuguese as: 5kg, 10kg, 25kg

Tamanhos de partículas mais finos geralmente oferecem melhor fluidez, densidade de embalagem e reatividade. Morfologias esféricas também melhoram o fluxo do pó. Maior pureza reduz contaminantes e melhora as propriedades.

Produção de Pó Ti3Al

Há vários métodos utilizados para produzir o pó de Ti3Al, incluindo:

• Atomização de gásA liga Ti-Al fundida é atomizada com gás inerte em gotículas finas que se solidificam em pó. Isto produz partículas esféricas com boa fluidez.
• Ligação Mecânica?- Os pós elementais de Ti e Al são triturados numa bola para sintetizar mecanicamente o composto intermetálico. As partículas dos pós têm formas irregulares.
• Esferoidização por Plasma?- O pó irregular de Ti3Al da liga mecânica é novamente derretido em um plasma para gerar pó esférico.
• Atomização de Gás por Indução de Eletrodo (EIGA)?- Funde e atomiza diretamente um eletrodo de Ti3Al para produzir pó.

Atomização a gás e processamento plasma permitem melhor controle sobre a distribuição do tamanho das partículas, morfologia, captação de oxigênio e microestrutura. O pó geralmente deve ser peneirado em frações de tamanho específicas após a produção com base nos requisitos da aplicação.

Custo do Pó Ti3Al

O pó comercial Ti3Al é significativamente mais caro do que o titânio ou alumínio em pó conjugado. Os custos variam entre:

• US$ 100 - US$ 500 por kg para pó atomizado com pureza de 99%
• US$ 50-250 por kg de pó com liga mecânica a 99%
• 300 a 1000 USD por kg. para pó esferoidizado de plasma de 99,9%

Os preços dependem do tamanho das partículas, da morfologia, do nível de pureza, da quantidade do pedido e do fabricante. Ligas personalizadas com composições especiais podem custar ainda mais. Os custos vêm diminuindo devido aos volumes crescentes de produção e às melhorias do processo.

Fornecedores de pó Ti3Al

Alguns dos principais fornecedores globais de pó de Ti3Al incluem:

Empresa	Local
AP&C	Canadá
TLS Technik GmbH	Alemanha
Tecnologia Metalúrgica	Reino Unido
ATI Powder Metals	EUA
Carpenter Additive	EUA
Met3DP	China
Tekna	Canadá

Existem também alguns produtores na China. É recomendável adquirir o pó de fabricantes estabelecidos que usam processos de produção qualificados para garantir qualidade e propriedades confiáveis.

Ti3Al versus Alternatives

Ti3Al compete com diversas alternativas para aplicações estruturais de alta temperatura:

Tabela: Comparação de Ti3Al versus outras ligas de alta temperatura

Liga	Densidade	Temperatura Máx	Força	Ductilidade	Resistência à oxidação	Custo
Ti3Al	Baixo	Muito alto	Alto	Baixo	Bom	Alto
Inconel 718	Alto	Alto	Médio	Médio	Bom	Médio
Haynes 230	Alto	Muito alto	Alto	Baixo	Excelente	Muito alto
Ti6Al4V	Médio	Médio	Médio	Médio	Excelente	Médio
Aços inoxidáveis ferríticos	Médio	Médio	Baixo	Alto	Pobre	Baixo

Entretanto, para temperaturas máximas de serviço, Ti3Al e superligas à base de níquel como a Haynes 230 são superiores. No entanto, a menor densidade e custo do Ti3Al são vantajosos para aplicações críticas de peso como aeroespaciais.

A fraca ductilidade em temperatura ambiente do Ti3Al continua sendo uma limitação fundamental em relação aos aços e ao Ti6Al4V. O desenvolvimento de ligas e processos continua melhorando a usinabilidade e a fabricabilidade.

Vantagens do Pó de Ti3Al

Os principais benefícios do uso do pó de Ti3Al incluem:

• Alta resistência mantida a 800¡«C
• Densidade 40% inferior às superligas de níquel
• Excelente resistência à fluência
• Boa resistência à oxidação e corrosão
• Substituição de metal refratário sem riscos estratégicos para os materiais
• Fabricação Próxima à Forma Final com Metalurgia do Pó
• Os componentes podem operar em temperaturas mais altas
• Redução de peso em peças rotativas como as pás das turbinas
• Eficiência aprimorada por meio de parâmetros operacionais mais altos

O equilíbrio exclusivo de propriedades mecânicas, baixa densidade e estabilidade térmica torna o Ti3Al um material viabilizador para sistemas aeroespaciais, automotivos e de geração de energia da próxima geração.

Limitações do pó de Ti3Al

Apesar das vantagens, Ti3Al também possui alguns inconvenientes:

• Frágil à temperatura ambiente e com ductilidade melhorada acima de 500 °C
• Fabricação e usinagem são desafiadoras
• Perda rápida da propriedade abaixo de 400¡«C
• Custos de matéria-prima e processamento são muito altos
• A cadeia de fornecimento é limitada com poucos produtores
• A concepção de componentes exige perícia em engenharia especializada
• Não facilmente soldado ou unido com técnicas convencionais
• Difícil de reciclar e reutilizar

Até hoje, obstáculos de fabricação e de custo retardaram a ampla adoção comercial do Ti3Al. Mas suas capacidades continuam impulsionando esforços de desenvolvimento para superar essas limitações por meio de químicas de ligas aprimoradas, qualidade de pó e design de componentes.

Perspetivas para o Pó Ti3Al

A previsão é de que a Ti3Al aumente seu uso nos setores aeroespacial, automotivo, de turbinas a gás industriais e geração de energia devido a:

• Crescente demanda por eficiência de combustível de motores a jato e menores emissões
• Materiais de alta temperatura necessários para turbocompressores eléctricos
• Mercado em crescimento para tecnologias de fabricação aditiva
• Foco na substituição estratégica de materiais para terras raras e metais refratários
• Redução de custos por meio da melhor produtividade de fabricação

Os mercados automotivo e industrial são mais sensíveis a preços e exigem uma vantagem evidenciada na relação custo-benefício em comparação com as ligas existentes. O setor aeroespacial está mais disposto a pagar um extra pelo máximo desempenho.

As iniciativas governamentais nos EUA, UE e Japão estão acelerando a P&D na produção de pó de Ti3Al, fabricação de componentes, métodos de junção e desenvolvimento de ligas. Isso expandirá o espaço de aplicação e gerará taxas de adoção mais altas.

Perguntas frequentes

P: Em que a pó de Ti3Al é utilizado?

R: O pó de Ti3Al é usado para fabricação de componentes de alta temperatura, como pás de turbina, rodas de turbocompressor, trocadores de calor e outras peças que operam entre 500-800 °C. Ele fornece um excelente equilíbrio de alta resistência, baixa densidade e boa resistência à oxidação.

Pergunta: Como é feito o pó Ti3Al?

R: Os métodos de produção comuns incluem atomização a gás, atomização de plasma, atomização de gás de fusão por indução de eletrodo (EIGA) e liga mecânica. Cada processo resulta em características diferentes de pó, adequadas para aplicações específicas.

Q: O pó de Ti3Al é melhor do que o Inconel 718?

R: Ti3Al possui menor densidade, e por isso proporciona economia de peso em relação ao Inconel 718. Possui maior resistência a temperaturas acima de 700 °C. No entanto, a ductilidade à temperatura ambiente do Ti3Al é bem baixa, enquanto o Inconel 718 pode ser fabricado e usinado com facilidade.

P: Qual é o custo do pó Ti3Al?

A: O pó Ti3Al custa entre US$ 450-750 por kg, o que é quase 5 vezes mais caro que as superligas de níquel e 10 vezes mais que pós de alumínio ou de titânio. O alto custo se deve ao processamento complexo e à demanda limitada do mercado.

Esta pergunta não pode ser respondida a partir do texto fornecido.

R: Como outros pós de ligas reativas, Ti3Al exige armazenamento livre de umidade e gás inerte. Somente recipientes de cerâmica, vidro ou inoxidáveis devem ser usados. Precauções de segurança incluem aterramento, ventilação e EPI respiratório.

P: Quais são os desafios do uso de pó Ti3Al?

R: As principais limitações são ductilidade precária à temperatura ambiente, alto custo do material, número limitado de fornecedores, dificuldade em usinar/fabricar e falta de tecnologias de união. São necessárias melhorias na liga, desenvolvimento de processos e otimização de projeto de componentes para expandir o uso comercial.

Pergunta: Qual é a perspectiva futura para o pó de Ti3Al?

R: A utilização de pó de Ti3Al deve crescer significativamente em motores aeroespaciais, turbocompressores automotivos e aplicações industriais de alta temperatura. As iniciativas para reduzir custos, melhorar as propriedades e a fabricação aprimorada permitirão uma adoção mais ampla.