Pó de liga de TiNb

Introdução ao Pó de Liga de TiNb

O pó da liga TiNb é composto por titânio e Nióbio metais. Ele oferece uma combinação única de alta resistência, baixa densidade, biocompatibilidade, resistência à corrosão, fadiga e resistência à fluência em altas temperaturas.

As ligas de Ti e Nb fazem parte de uma classe mais ampla de materiais intermetálicos de titânio que possuem propriedades físicas, químicas e mecânicas superiores ao titânio puro. A adição de nióbio como elemento de liga aprimora certas propriedades e permite o ajuste das ligas de Ti e Nb para aplicações específicas.

Algumas vantagens fundamentais do pó de liga do TiNb incluem:

• Alta relação resistência-peso
• Capacidade de suportar temperaturas extremas e estresses
• Resiste a desgaste, abrasão e corrosão em ambientes agressivos.
• Biocompatível e atóxico para usos médicos
• Pode ser processado em formatos complexos usando fabricação aditiva
• Fornece flexibilidade de design para engenheiros

As ligas Tínbio (TiNb) competem com as superligas à base de níquel e cobalto na indústria aeroespacial. Elas também oferecem uma alternativa aos aços inoxidáveis para implantes e dispositivos biomédicos. As ligas TiNb estão possibilitando novas aplicações e projetos que não são possíveis com outros materiais.

Este artigo fornece uma referência técnica sobre a composição, propriedades, processamento, aplicações, especificações, custos e outros aspectos práticos do pó de liga TiNb.

Composição do Pó de Liga de TiNb

As ligas de TiNb contêm principalmente titânio e nióbio como elementos constituintes fundamentais. O teor de nióbio geralmente varia de 10% a 50% em peso, sendo o restante titânio.

A proporção de Ti para Nb pode ser ajustada para criar diferentes graus de ligas de TiNb otimizadas para certas propriedades. Alguns graus comuns de TiNb incluem:

• Ti-10Nb - 10% nióbio, 90% titânio
• Ti-35Nb - 35% de nióbio, 65% de titânio
• Ti-45Nb - 45% nióbio, 55% titânio
• Ti-50Nb – 50% nióbio, 50% titânio

Além disso, pequenas quantidades de outros elementos como zircônio, tântalo, molibdênio e crômio podem ser adicionadas para melhorar ainda mais as propriedades. Oxigênio e nitrogênio também podem estar presentes como impurezas.

Tabela 1: Composição química de graus comuns de ligas TiNb

Grau da Liga	Teor de nióbio	Teor de Titânio
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

Controlar a composição é essencial para atingir as propriedades desejadas no produto final de liga TiNb. Técnicas de metalurgia do pó permitem mistura precisa dos metais constituintes em um pó de liga de alimentação.

Propriedades do Pó de Liga TiNb

Ligas de TiNb exibem uma gama de propriedades físicas, mecânicas e químicas úteis que as tornam adequadas para aplicações de alto desempenho. Algumas propriedades principais incluem:

Propriedades físicas

• Densidade – 4,5 a 5,5 g/cm3, menor que ligas de aço e níquel
• Ponto de fusão - 1550 a 1750¡«C dependendo da composição
• Resistividade elétrica - 0,5 a 0,6 Ã×´Î.m, mais alta que o titânio puro
• Condutividade térmica – 6 a 22 W/m.K, menor que a do titânio

Propriedades Mecânicas

• Resistência à tração - 500 a 1.100 MPa, aumenta com o teor de nióbio
• Resistência de escoamento – 300 a 900 MPa
• Alongamento & #8211 ; 10% a 25%
• Dureza - 200 a 350 HV
• Resistência à fadiga - 400 a 600 MPa

Outras Propriedades

• Resistência à corrosão – Excelente devido à camada protetora de óxido
• Resistência de desgaste - Melhor que o titânio devido à dureza
• Biocompatibilidade – Não tóxico e não alergênico

Ao ajustar a taxa Ti/Nb, propriedades como resistência, ductilidade, dureza e módulo de elasticidade podem ser otimizadas conforme os reequerimentos da aplicação.

Tabela 2: Propriedades típicas da liga Ti-35Nb

Propriedade	Valor
Densidade	5.2 g/cm3
Ponto de Fusão	1600¡«C
Resistência à Tração	650 MPa
Limite de escoamento	550 MPa
alongamento	15%
Módulo de Elasticidade	60 GPa
Dureza	250 VCC

Aplicações do Pó de Liga TiNb

As excepcionais propriedades das ligas de TiNb as tornam adequadas para aplicações exigentes em várias indústrias:

Aeroespacial

• Componentes de motores – lâminas, discos, fixadores
• Partes da fuselagem - trem de pouso, asas, fuselagem
• Sistemas Hidráulicos – bombas, válvulas, atuadores

Automotivo

• Molas de válvulas, válvulas do motor
• Bielas, rotores de turbocompressor
• Componentes para Automobilismo

Biomédica

• Implantes ortopédicos — joelho, quadril
• Implantes dentários, coroas
• Instrumentos cirúrgicos
• Dispositivos médicos

Indústria Química

• Trocadores de calor, reatores
• Bombas, válvulas, tubos
• Equipamentos resistentes à corrosão

Outros Aplicativos

• Produtos esportivos — tacos de golfe e armações de bicicleta
• Relógios e joias de luxo
• Contatos e Conectores Elétricos
• Peças para fornos de alta temperatura

A combinação de resistência, resistência à temperatura, resistência à corrosão e biocompatibilidade permite que as ligas de TiNb substituam materiais mais pesados em todos esses setores.

Tabela 3: As aplicações para ligas de TiNb por indústria

Indústria	APLICATIVOS
Aeroespacial	Componentes de motor, peças de fuselagem, sistemas hidráulicos
Automotivo	Molas de válvulas, válvulas de motor, bielas
Biomédica	Implantes, Instrumentos cirúrgicos odontológicos, Dispositivos
Químico	Trocadores de calor, reatores, bombas, válvulas
Outro	Artigos esportivos, relógios, contatos elétricos, peças de fornos

Processamento de pó de liga TiNb

Pó de liga TiNb pode ser produzido por meio de rotas de processamento diferentes:

Mistura de Pó de Metal

• pós elementares de titânio e nióbio são misturados juntos na composição requerida
• mistura de pó mesclada é mecanicamente ligada para formar o pó de liga TiNb

Atomização a gás

• A liga TiNb fundida é atomizada com um gás inerte em gotículas finas
• As gotículas se solidificam nas partículas esféricas de pó de liga

Processo de eletrodo rotativo de plasma (PREP)

• A vareta de eletrodo TiNb é derretida usando arco de plasma e girada em altas velocidades.
• A força centrifuga faz com que as gotas se quebrem e se solidifiquem em partículas

Método de hidreto-desidreto (HDH)

• Metais de Ti e Nb são convertidos em pós de hidreto quebradiço
• pós de hidreto são misturados, desidratados, triturados e peneirados

O tamanho de partícula, morfologia, fluidez e microestrutura do pó podem ser controlados selecionando o processo de fabricação apropriado. Isso influencia as propriedades finais após a consolidação.

Tabela 4: Processos de produção do pó de liga TiNb

Método	Descrição	Tamanho das partículas	Morfologia
Ligação Mecânica	Mistura e moagem de pós de Ti e Nb	10 – 50 mícrons	Irregular, angular
Atomização a gás	Atomização por gás inerte de liga fundida	15 — 150 micras	Esférico
Eletrodo rotativo de plasma	Desintegração centrífuga do eletrodo derretido	50 – 150 micrômetros	Esférico
Processo HDH	Agregação, desagregação, trituração de pós misturados	10 – 63 mícrons	Irregular, angular

Consolidação de Pó de Liga TiNb

O pó de liga TiNb pode ser convertido em componentes de densidade total usando diversas técnicas de consolidação por metalurgia do pó:

Prensagem isostática a quente (HIP)

• o pó enclausulado é HIPado em alta temperatura e pressão.

Sinterização a Vácuo

• o pó é compactado e sinterizado no forno a vácuo

Sinterização de plasma e faíscas

• o pó é aquecido simultaneamente e comprimido por uma corrente DC pulsada

Moldagem por injeção de metal (MIM)

• mistura-se o pó com ligante, moulda-se, desliga-se e sinteriza-se

Manufatura aditiva

• fusão de leito de pó (SLM, EBM) ou depósito direto de energia (DED)

Os HIP e a sinterização a vácuo podem atingir uma densidade quase total, retendo ao mesmo tempo a microestrutura fina. A manufatura aditiva oferece maior liberdade geométrica. O processo de consolidação pode ser otimizado para atingir as propriedades desejadas.

Tabela 5: Técnicas de consolidação de pó de liga de TiNb

Método	Descrição	Densidade	Microestrutura	Geometria
Triste	Alta pressão, alta temperatura	Quase totalmente denso	Ótimo	Formas simples
Sinterização a Vácuo	Sinterização em forno à vácuo	Quase totalmente denso	Ótimo	Formas simples
Sinterização de plasma e faíscas	Corrente e pressão pulsadas	Densidade total	Ultrafina	Formas simples
Modelagem por Injeção de Metais	Molde de pó + aglomerante	Quase totalmente denso	Ultrafina	Formas complexas
Manufatura aditiva	Fusão de leito de pó ou deposição direcionada de energia	Quase totalmente denso	Grosso	Formas complexas

Especificações para pó de liga TiNb

Pó de liga TiNb disponível em diversas especificações para atender a diferentes aplicações:

Composições: Graus com teor de 10% a 50% de nióbio

Tamanho da partícula: 10 a 150 microns

Morfologia: Esférica, irregular ou mista

Método de Produção: Atomização de gás, HDH, Elemental mesclado

Pureza: >99,5% titânio, >99,8% nióbio

Oxigênio: <2000 ppm

Fluidez: Vazão do Hall > 23 seg/50g

Densidade Aparente: Ô 2.5 g/cc

Densidade de batida: Densidade da peça = 3,5 g/cm³

Composição química, distribuição de tamanho de partícula, morfologia, vazão e densidade são propriedades comumente especificadas. Ligas personalizadas e especificações de pó podem ser produzidas para aplicações específicas.

Tabela 6: Especificação típica do pó de Ti-35Nb atomizados por gás

Parâmetro	Especificação
Composição da liga	Ti-35Nb
Tamanho das partículas	15 a 45 micrometros
Morfologia	Esférico
Método de produção	Atomização a gás
Pureza	Ti >99,5%, Nb >99,8%
Conteúdo de oxigênio	<1500 ppm
Caudal	>38 seg./50 g
Densidade Aparente	Densidade aparente: 2,7 g/cc
Densidade de Batida	A densidade do diamante é de 4,2 g/cc

Fornecedores de pó de liga de TiNb

Alguns líderes globais fornecedores de pó de liga de nióbio de titânio incluem:

• AP&C - pós de ligas de titânio e nióbio
• Atlantic Equipment Engineers – esféricos e pós angulares
• TLS Technik – Legierungen aus TiNb mittels Gasverdüsung
• Metal Technology – pós elementares e pré-ligados misturados
• Sandvik Osprey – pós esféricos atomizados a gás
• Carpenter Additive – pós de liga personalizados

As ligas de TiNb também são oferecidas por fornecedores de metais de titânio e nióbio. Essas ligas padronizadas e composições personalizadas podem ser provenientes desses produtores de pó.

Tabela 7: Fornecedores de pó de liga TiNb

Empresa	Materiais	Métodos de Produção
AP&C	Ti, Nb, TiNb ligas	Atomização a gás
Atlantic Equipment Engineers	Ti, Nb, TiNb ligas	Atomização de gás, mistura
TLS Technik	Ligas TiNb	Atomização a gás
Tecnologia em Metais	Ligas TiNb	Elemental misto, pré-ligado
Sandvik Osprey	Ligas TiNb	Atomização a gás
Aditivo Carpenter	Ligas TiNb customizadas	Atomização a gás

Custo do Pó de Liga TiNb

O pó da liga TiNb é mais caro que o pó de titânio ou nióbio sozinho. O custo depende de:

• Composição – alto teor de Nb aumenta custo
• Pureza – os custos aumentam com maior pureza
• Tamanho e distribuição de partículas
• Método de produção - pó atomizado a gás custa mais.
• Quantidade do pedido - volumes maiores têm custos menores

Preço indicativo para o pó da liga TiNb em pequenas quantidades:

• Ti-10Nb: $100 a $300 por kg
• Ti-35Nb: R$ 1.000 a R$ 2.500 por kg
• Ti-50Nb: $300 a $800 por kg

O preço diminui significativamente para pedidos acima de centenas de quilos ou várias toneladas.

Tabela 8: Precificação indicativa de pós de liga de TiNb

Liga	Preço ($/kg)
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

Manuseio e Armazenamento do Pó da Liga TiNb

Como um pó metálico reativo, é necessário algum cuidado ao manusear o pó de liga de TiNb:

• Armazenar em contêineres lacrados em uma atmosfera seca e inerte para evitar oxidação e contaminação
• Evitar contato com oxigênio, umidade, óleos, materiais combustíveis
• Evite acúmulo de pós finos em superfícies ou equipamentos
• Aterrar todos os equipamentos condutores usados no manuseio
• Use ferramentas à prova de faísca e minimize a geração de poeira
• Use luvas e proteção respiratória ao manusear
• Use sistemas de ventilação aterrados e evite nuvens de poeira
• Mantenha afastado do calor, chamas, faíscas e outras fontes de ignição
• Siga a ficha de dados de segurança para os equipamentos de proteção individual (EPI) adequados e as precauções

Se armazenado adequadamente em atmosfera seca e inerte, o pó da liga TiNb tem uma vida útil típica de 12 meses. Condições de armazenamento impróprias podem levar à oxidação, perda de fluidez ou riscos de ignição.

Tabela 9: Diretrizes de manuseio do pó da liga TiNb

Parâmetro	Diretrizes
Armazenamento	Recipientes vedados, atmosfera inerte seca
Atmosfera	Evite oxigênio, umidade, óleos, combustíveis
Equipamento	Coloque à terra todos os equipamentos condutivos
Ferramentas	Use ferramentas não faiscantes
Ventilação	Sistema de ventilação enterrado
EPI	Luvas, proteção respiratória
Precauções	Evite calor, chamas, faíscas
Prazo de validade	12 meses em atmosfera inerte

Folha de Dados de Segurança do Pó de Liga de TiNb

Assim como outros pós de metal reativo, alguns cuidados importantes de segurança para a liga TiNb:

• Use EPI - luvas, proteção ocular, máscara/respirador
• Evitar inalação de pós - use proteção respiratória
• Evite contato com a pele e os olhos
• Lave bem as mãos após manusear o pó
• Evite fontes de ignição, os pós podem ser inflamáveis
• Use aterramento e ventilação adequados
• Atmosfera estável para evitar oxidação
• Evite manchas e acúmulos de pó sobre as superfícies.
• Siga as instruções fornecidas nas FDS e rótulos de advertência

Primeiros socorros:

• Inalação: Mova-se para um local arejado. Procure ajuda médica se necessário.
• Contato com a pele: Lave com água e sabão. Procure ajuda se a irritação persistir.
• Contato com os olhos: Lave os olhos com água por 15 minutos. Procure assistência médica.
• Ingestão: Beber água. Procure assistência médica se houver desconforto.

Sempre consulte as SDS do fornecedor para obter informações completas de saúde e segurança antes de manusear e processar o pó de liga TiNb.

Tabela 10: Medidas de segurança essenciais para pó de liga TiNb

Item de Segurança	Precauções
EPI	Luvas, óculos de proteção e máscara N95
Inalação	Use proteção respiratória
Contato de Pele	Lave a área afetada com água e sabão
Contacto visual	Lave os olhos com água por 15 minutos
Ingestão	Beba água. Procure atendimento médico se necessário.
Ventilação	Use exaustores aterrados
Aterramento	Conecte à terra todo o equipamento durante o manuseio
Ignição	Evite faíscas, chamas, fontes de calor
Armazenamento	Atmosfera inerte longe de materiais inflamáveis

Inspeção de Qualidade do Pó da Liga TiNb

Para garantir que o pó de liga de TiNb atenda às especificações, várias verificações de qualidade são realizadas:

• Análise química?- ICP, GDMS ou análise LECO para verificar composição e pureza
• Análise granulométrica- difração de laser ou análise da peneira para distribuição de tamanho
• Morfologia? - Imagem SEM para verificar a forma da partícula e a topologia da superfície
• Caudal?- Teste de vazão de escoamento do pó
• Densidade?- MEDIDAS de densidade aparente e densidade batida
• Oxigênio/Nitrogênio?- Análise de fusão de gás inerte para impurezas intersticiais
• Identificação da fase- Análise de DRX para determinar fases presentes

Propriedades do pó são testadas em cada lote para padrões de qualidade como ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1. O pó pode ser misturado entre lotes para obter uniformidade.

Tabela 11: Métodos de teste para pó de liga de TiNb

Teste	Método	Padrão
Composição	ICP, GDMS, LECO	ASTM E1479, ASTM E2330
Distribuição de Tamanho de Partícula	Difração a laser, peneiração	ASTM B822
Morfologia	imagens SEM	ASTM B822
Caudal	Medidor de vazão de efeito hall	ASTM B213
Densidade	Medidor de volume Scott	ASTM B212
Oxigênio/Nitrogênio	Fusão de gás inerte	ASTM E1019
Análise por fases	Difração de raios X	ASTM E1876

Aplicações médicas da Liga de TiNb

Devido à sua biocompatibilidade, alta resistência e módulo baixo, as ligas de TiNb são muito utilizadas para implantes e dispositivos médicos:

Implantes ortopédicos

• Substituições do joelho e do quadril
• Placas ósseas, parafusos
• Dispositivos de fixação espinhal
• Implantes e pontes dentárias

As ligas de TiNb como Ti-35Nb e Ti-45Nb combinam com o módulo elástico do osso humano, ao mesmo tempo em que fornecem alta resistência à fadiga. Isso reduz o blindamento por estresse em comparação com ligas de titânio mais rígidas.

Dispositivos Cardiovasculares

• Stents
• Caixas de marcapasso
• Fios-guia
• Instrumentos cirúrgicos

A resistência à corrosão, a não toxicidade e o não magnetismo de ligas de TiNb as tornam apropriadas para dispositivos que entram em contato com sangue e tecidos.

Grades de ligas TiNb para uso médico

• Ti-10Nb a Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta para propiedades ajustadas
• Normas ISO 5832-11 e ASTM F2066

Módulo mais baixo Ti-35Nb e Ti-45Nb são comumente usados. Maior Nb fortalece, mas aumenta o módulo. Pequenas adições de Zr/Ta ajustam ainda mais as propriedades.

Vantagens das ligas de TiNb para uso biomédico

• Excelente biocompatibilidade e osseointegração
• Alta resistência e resistência à fadiga
• Módulo baixo próximo ao osso
• Não-tóxico, não alergênico
• Resistente à corrosão
• Não magnético

As ligas de Titânio e Nióbio (TiMb) fornecem a melhor combinação de resistência, biocompatibilidade, resistência à corrosão e módulo de elasticidade para implantes.

Desafios dos Componentes Médicos de Liga de TiNb

• Processamento e fabricação difíceis
• Mais caro do que a liga de Ti-6Al-4V
• Requer rigoroso controle de qualidade e testes
• Dados clínicos a longo prazo ainda em evolução

Sendo um material relativamente novo para uso médico, a fabricação e o licenciamento de componentes de TiNb podem ser mais complexos. Mas suas vantagens superam os desafios de curto prazo.

Usos automotivos da liga TiNb

A alta resistência, resistência à temperatura e vida de fadiga das ligas de TiNb as tornam atraentes para peças automotivas:

Molas de Válvulas

• Maior força permite menor massa da mola
• Reduz a flutuação da válvula a altas RPM
• Permite maior saída de energia

Válvulas do motor

• Resistente a gases de escape de alta temperatura
• Resiste ao desgaste e à deformação
• Leve

Bielas

• Alta relação resistência-peso
• Reduz massa oscilante
• Possibilita maior rotação por minuto e potência

Rotores de turbocompressor

• Mantém a resistência em altas temperaturas
• Resiste à deformação por fluência
• Resistência a choque térmico
• Baixa Densidade

Componentes para Automobilismo

• Leve suspensão, partes de chassi
• Resistência à fadiga superior

Massa e inércia reduzidas combinadas com resistência a temperatura e fadiga levam a maior performance e eficiência do motor.

Desafios das Ligas de TiNb para Automotivo

• Alto custo quando comparado às ligas de aço
• Dificuldades de processamento da metalurgia do pó
• Fornecedores limitados e experiência de fabricação
• Razão custo-benefício incerta

Os benefícios podem justificar um preço premium para veículos de luxo e esportes motorizados inicialmente. A adoção mais ampla depende de os produtores de TiNb reduzirem os custos.

Aplicações Aeroespaciais das Ligas TiNb

As ligas de TiNb competem com as superligas de níquel para aplicações de motores e fuselagens de aeronaves que precisam de resistência a baixas temperaturas:

Componentes do Mecanismo

• Pás de turbina, discos, carcaças
• Lâminas de compressor
• Eixos, Parafusos
• Inversores de empuxo

Partes Estruturais

• Trem de pouso
• Asas, costelas, longarinas
• Quadros da fuselagem
• Tubo hidráulico

Benefícios

• Densidade 30-50% menor que as superligas de Ni
• Economiza peso
• Similar força e resistência ao rastejamento
• Supoorta altas tensões e temperaturas

Desafios