Pó de Ti3Al: composição, propriedades, aplicações e mais

Algumas das principais propriedades e características do pó Ti3Al incluem:

• Alta resistência a elevadas temperaturas de até 750¡«C
• Densidade cerca da metade da das superligas de níquel
• Alta resistência à corrosão
• Baixa densidade comparada com outras ligas de titânio
• Resistência à oxidação até cerca de 700¡«C
• Resistência ao desgaste
• biocompatibilidade

Entretanto, o Ti3Al também tem limitações, tais como baixa ductilidade em temperatura ambiente, baixa tenacidade à fratura e baixa soldabilidade. Processamento adequado e adições de ligas são necessários para otimizar o equilíbrio de propriedades para diferentes aplicações.

Este artigo apresenta um panorama detalhado sobre a composição, propriedades, aplicações, fornecedores, custos, métodos de teste e outros detalhes técnicos relacionados ao pó de Ti3Al.

Composição de Pó Ti3Al

O pó Ti3Al tem uma composição nominal de 75% de titânio e 25% de alumínio em peso. O composto intermetálico aluminídeo 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 são frequentemente adicionados em pequenas quantidades para melhorar certas propriedades. A tabela abaixo mostra o intervalo típico de composição:

Elemento	% do 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%

Controlling the oxygen and carbon content is critical to avoid embrittlement and maintain ductility. Other trace elements may also be present depending on the raw materials and process.

Propriedades do pó de Ti3Al

As propriedades exclusivas do pó de Ti3Al derivam de sua estrutura cristalina intermetálica ordenada, constituída de átomos de titânio e alumínio. Algumas das propriedades notáveis incluem:

Resistência a altas temperaturas

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

Liga	Resistência em temperatura ambiente (MPa)	Resistência 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 \u2013 4,1 g/cm3, o Ti3Al é muito mais leve do que as superligas de níquel e a maioria das outras ligas de titânio. Isto ajuda a reduzir o peso do componente crítico em aplicações aeroespaciais.

Resistência à oxidação

A liga Ti3Al oferece boa resistência à oxidação até 700°C no ar, melhor que o titânio não-ligado. Isso permite sua operação em alta temperatura sem perda excessiva de material.

Resistência à corrosão

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

Resistência ao desgaste

Ti3Al possui boa resistência a abrasão e erosão comparável a aços, tornando-o adequado para aplicações de alto desgaste como válvulas, bombas e matrizes de extrusão.

No entanto, o Ti3Al também sofre de desvantagens como:

• Baixa tenacidade à fratura e ductilidade em temperatura ambiente
• Difícil de fabricar e de processar mecanicamente
• Dificuldade de soldar devido à suscetibilidade a trincas

Processamento apropriado e adições de liga são requeridos para otimizar o equilíbrio de propriedades para a aplicação pretendida.

Aplicações de Pó Ti3Al

As propriedades únicas do pó Ti3Al o tornam adequado para as seguintes aplicações:

Aeroespacial

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

• Pás de turbinas, palhetas, discos.
• Câmaras de combustão, pós-combustores
• Fuselagens, componentes estruturais
• Tubo hidráulico, válvulas

Automotivo

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

Processamento químico

Ti3Al é usado para componentes como válvulas, bombas, encaixes para tubulações, vasos de reator que requerem resistência à corrosão combinada com propriedades mecânicas em altas temperaturas.

Biomédica

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

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

Especificações do Pó Ti3Al

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

Especificação	Detalhes
Tamanhos de partículas	15 — 150 micras
Morfologia	Esférico, angulares, mistos
Densidade Aparente	2 – 3,5 g/cm3
Densidade de Batida	3 – 4,5 g/cm³
Pureza	99,9%, 99,9%
Conteúdo de oxigênio	``P 0,2% em peso
Teor de Nitrogênio	¨P 0,05 wt%
Teor de carbono	¨P 0,08% em peso
Teor de ferro	¨P 0,30 wt%
Teor de níquel	¨P 0,10 wt%
Pacotes padrão	5kg, 10kg, 25kg translates to: 5kg, 10kg, 25kg

Tamanhos de partículas menores geralmente têm melhor fluidez, densidade de empacotamento e reatividade. Morfologias esféricas também melhoram o fluxo de pó. Maior pureza reduz contaminantes e melhora propriedades.

Produção de Pó Ti3Al

Há vários métodos usados para produzir Ti3Al em pó, incluindo:

• Atomização a gás?- Liga Ti-Al fundido é atomizada com gás inerte em gotas finas que solidificam em pó. Isto produz partículas esféricas com boa fluidez.
• Ligação Mecânica?- Os pós elementais de Ti e Al são moídos em esferas para sintetizar o composto intermetálico mecanicamente. As partículas de pó têm formas irregulares.
• Esferoidização do PlasmaPó de Ti3Al irregular a partir da liga mecânica é re-fundido por plasma para gerar o pó esférico.
• Atomização por Gás de Indução de Eletrodo (EIGA)?- Funde e atomiza diretamente um eletrodo de Ti3Al para produzir pó.

A atomização a gás e o processamento por plasma permitem melhor controle sobre distribuição do tamanho de partícula, morfologia, captação de oxigênio e microestrutura. O pó deve geralmente ser peneirado em frações de tamanho específico após a produção com base em requisitos de aplicação.

Custo do Pó Ti3Al

O pó de Ti3Al é significativamente mais caro do que os pós de titânio ou alumínio sozinhos. Custos variam entre:

• $100 - $500 por kg para gás puro atomizado 99%
• $50 - $250 por kg para um pó com 99% de ligas mecânicas
• $300 - $1000 por kg para o pó esferoidizado de plasma de 99,9%

Os preços variam de acordo com o tamanho da partícula, morfologia, nível de pureza, quantidade do pedido e fabricante. Ligas personalizadas com composições especiais podem custar ainda mais. Os custos têm diminuído devido ao aumento dos volumes de produção e aprimoramentos de processo.

Fornecedores de pó de Ti3Al

Alguns dos principais fornecedores globais de pó de Ti3Al incluem:

Empresa	Localização
AP&C	Canadá
TLS Technik GmbH	Alemanha
Tecnologia em Metais	Reino Unido
ATI Powder Metals	Estados Unidos
Aditivo Carpenter	Estados Unidos
Met3DP	China
Tekna	Canadá

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

Ti3Al vs Alternativas

Ti3Al compete com várias ligas alternativas para aplicações estruturais em alta temperatura:

Tabela: Comparação de Ti3Al versus outras ligas de alta temperatura

Liga	Densidade	Temperatura Máxima	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

Para temperaturas máximas de serviço, ligas metálicas resistentes à base de níquel e Ti3Al como Haynes 230 são superiores. No entanto, a menor densidade e o menor custo do Ti3Al são vantajosos para aplicações críticas de peso, como aeroespacial.

A baixa ductilidade de temperatura ambiente do Ti3Al permanece como uma limitação fundamental em relação aos aços e ao Ti6Al4V. O desenvolvimento de ligas e processos continua a melhorar a usinabilidade e a fabricabilidade.

**Vantagens do Pó de Ti3Al** * **Alta resistência específica:** O pó de Ti3Al possui uma alta relação resistência-peso, tornando-o adequado para aplicações onde peso leve e alta resistência são essenciais, como na indústria aeroespacial. * **Excelente resistência à corrosão:** O Ti3Al é altamente resistente à corrosão em ambientes agressivos, tornando-o ideal para uso em aplicações marinhas, químicas e de processamento de alimentos. * **Alta resistência à oxidação:** O Ti3Al forma uma camada de óxido protetora quando exposto ao ar ou ao oxigênio, o que lhe confere excelente resistência à oxidação em altas temperaturas. * **Baixa densidade:** O pó de Ti3Al tem uma baixa densidade, o que o torna adequado para aplicações onde o peso é um fator crítico. * **Processo de sinterização fácil:** O pó de Ti3Al pode ser sinterizado facilmente usando técnicas de processamento de pó convencionais, como sinterização por pressão a quente ou sinterização por faísca de plasma. * **Compatível com outros materiais:** O pó de Ti3Al pode ser misturado com outros materiais, como cerâmica ou metais, para criar compósitos com propriedades aprimoradas. * **Boa usinabilidade:** O pó de Ti3Al pode ser usinado usando técnicas convencionais, como usinagem CNC ou EDM.

Os principais benefícios de usar o Ti3Al em pó incluem:

• Alta resistência mantida até 800°C
• Densidade 40% menor que as superligas de níquel
• Excelente resistência à fluência
• Boa resistência à oxidação e corrosão
• Substituição de metal refratário sem riscos estratégicos de material
• Fabricação de forma quase líquida com metalurgia do pó
• Os componentes podem funcionar em temperaturas mais altas
• Economia de peso em peças rotativas como pás de turbinas
• Eficiência melhorada por meio de parâmetros operacionais mais altos

A composição única de propriedades mecânicas, baixa densidade e estabilidade térmica do Ti3Al é um material possível para sistemas aeroespaciais, automotivos e de geração de energia de próxima geração.

Limitações do Pó Ti3Al

Apesar das suas vantagens, o Ti3Al também apresenta algumas desvantagens:

• Frágil em temperatura ambiente, a ductibilidade melhora acima de 500¡«C
• A fabricação e usinagem é um desafio
• Perda rápida de propriedades abaixo de 400°C
• Matéria-prima e custos de processamento são muito altos
• A cadeia de suprimento é limitada com poucos produtores
• O design de componentes requer uma experiência de engenharia especializada
• Não é facilmente soldado ou unido com técnicas convencionais
• Difícil de reciclar e reutilizar

Desafios de fabricação e custos atrasaram a adoção comercial em grande escala do Ti3Al até o momento. Entretanto, suas capacidades continuam a impulsionar os esforços de desenvolvimento para superar essas limitações por meio de químicas de liga aprimoradas, qualidade de pó e design de componentes.

Perspectivas para o pó de Ti3Al

É previsto que o Ti3Al tenha uso expandido nos setores de aviação, automotivo, turbina a gás industrial e geração de energia devido a:

• Aumento da demanda por eficiência de combustível de motor a jato e menores emissões
• Materiais de alta temperatura necessários para turbocompressores elétricos
• Mercado crescente para tecnologias de fabricação aditiva
• Focado na substituição estratégica de materiais de terras raras e metais refratários
• Redução de custo com melhoria de produtividade na produção

Mercados automotivos e industriais são mais sensíveis a preços e exigem uma comprovada vantagem de custo-desempenho em comparação com ligas existentes. O setor aeroespacial está mais disposto a pagar um prêmio por desempenho máximo.

Iniciativas governamentais nos EUA, UE e Japão estão acelerando P&D na produção de pó de Ti3Al, fabricação de componentes, métodos de união e desenvolvimento de ligas. Isso expandirá o espaço de aplicação e impulsionará maiores taxas de adoção.

Perguntas Frequentes

P: Para que é usado Ti3Al em pó?

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

Q: Como o pó de Ti3Al é feito?

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

P: Pó de Ti3Al é melhor do que Inconel 718?

A: O Ti3Al tem menor densidade, logo fornece economia de peso acima do Inconel 718. Ele têm maior resistência em temperaturas acima de 700¡«C. Porém, a ductilidade em temperatura ambiente do Ti3Al é bastante baixa, enquanto o Inconel 718 pode ser fabricado e usinado facilmente.

P: Qual é o custo do pó Ti3Al?

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

P: Como é manuseado e armazenado o pó Ti3Al?

A: Assim como outros pós de liga reativa, o Ti3Al requer proteção com gás inerte e armazenamento livre de umidade. Devem ser usados apenas recipientes de cerâmica, vidro ou aço inoxidável. As precauções de segurança incluem aterramento, ventilação e EPI respiratório.

P: Quais são os desafios no uso do pó de Ti3Al?

A: As principais limitações são a baixa ductilidade à temperatura ambiente, o alto custo do material, o número limitado de fornecedores, a dificuldade em usinagem/fabricação e a falta de tecnologias de união. Aperfeiçoamentos na liga, desenvolvimento de processos e otimização do design de componentes são necessários para expandir o uso comercial.

P: Qual é a perspectiva futura do Ti3Al em pó?

O uso do pó Ti3Al está previsto para crescer significativamente em motores aeroespaciais, turbocompressores automotivos e aplicações industriais de alta temperatura. Iniciativas para reduzir custos, melhorar propriedades e amadurecer a fabricação permitirão uma adoção mais ampla.