BRPI0513282B1 - Liga a base de titânio-silício de alta resistência mecânica, resistente à oxidação e ao desgaste - Google Patents
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Description
“LIGA A BASE DE TITÂNIO-SILÍCIO DE ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA, RESISTENTE À OXIDAçãO E AO DESGASTE” Campo da Invenção A presente invenção diz respeito a ligas a base de titânio contendo silício de alta resistência mecânica com aditivos opcionais de alumínio, boro, cromo, escândio e metais terras raras (mischmetal contendo Y, Er e Ce e La).
Fundamentos da Invenção Uma variedade de ligas bifásicas de titânio αΐβ e quase titânio o, tais como TL6A1-4V, IMI 834 (Ti-5,8-Al-4Sn-3Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si- 0,06C) e TIMET 1100 (Ti-6AL2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si) apresentam grande aplicação potencial na indústria aeronáutica e aeroespacial.
Entre elas, TÍ-6A1-4V apresenta a mais ampla aplicação por causa da combinação ideal de alta resistência mecânica e tenacidade à fratura e excelentes propriedades de fadiga em temperaturas ambiente e elevada.
Estas ligas têm, entretanto, algumas desvantagens tais como fraca resistência mecânica à oxidação acima de 475°C (formação do caso-o), resistência mecânica à distensão insuficiente a 600°C e temperaturas mais altas e uma baixa resistência ao desgaste à temperatura ambiente e temperaturas elevadas. O caso-α causa formação de fendas na superfície oxidada e tem um efeito detrimental nas propriedades de fadiga. O processo de fusão a arco dessa liga de ponto de fusão relativamente alto de cerca de 1.600°C e o superaquecimento de fusão necessário a cerca de 1.750 a 1.770°C é um procedimento de consumo muito alto de energia para a fabricação de peças fundidas de precisão para a indústria aeronáutica e automotiva, e com propósitos de engenharia em geral.
Ligas a base de titânio contendo baixo silício são bem conhecidas. Assim, JP 200206087 1 A descreve uma liga de titânio contendo 0,2-2,3% em peso de Si, 0,1-0,7% em peso de O (teor de oxigênio total) e 0,16-1,12% em peso de N e 0,001-0,3% em peso de B e o restante de titânio incluindo impurezas inevitáveis, usadas para produtos fundidos.
Esses são, por exemplo, cabeças de taco de golfe, tralha de pesca e componentes médicos, tais como raiz de dente, implantes, placas ósseas, juntas e coroas. A liga a base de titânio contendo baixo silício, entretanto, apresenta uma desvantagem, pela formação de pequenos precipitados de Ti3Si tipo agulha ao longo dos contornos de grãos, o que diminui a tenacidade à fratura e a dutilidade deste material.
Pelo artigo "Structures and properties of the refractory silicides, Ti5Si3 e TiS2 e Ti-Si-(Al) eutectic alloys", de Frommeyer et al., publicado em maio de 2004, na sua página 301, descreveu uma liga Ti-Si7,5- All hipereutética. É declarado ainda que com 0 aumento do teor de silício até cerca de 9% em peso, a microestrutura das amostras de peças fundidas consiste de uma fina dispersão de partículas de siliceto Ti5Si3 dentro da matriz de solução sólida de Ti(Si) a.
As ligas descritas por Frommeyer et al. têm excelente dureza e resistência mecânica ao escoamento. Entretanto, a resistência mecânica a quente as ligas Ti-Si-Al é moderada e não existe indicação da resistência à oxidação a alta temperatura.
Assim, existe uma necessidade de uma liga que tenha alta resistência mecânica a altas temperaturas, tenha um menor ponto de fusão que as ligas Ti-Al-V e tenha boas propriedades de fundição.
Descrição da Invenção Pela presente invenção, são providas ligas Ti-Si com teores relativamente altos de silício que apresentam um ponto de fusão relativamente baixo por causa de sua constituição eutética, boas propriedades de fundição e alta resistência mecânica a temperaturas mais altas, bem como resistência muito alta a oxidação e deformação por fluência a altas temperaturas. A presente invenção assim diz respeito a uma liga Ti-Si compreendendo 2,5-12% em peso de Si, 0-5% em peso de Al, 0-5% em peso de Cr, 0-0,5% em peso de B, 0-1% em peso de metais terras raras e/ou ítrio e/ou Sc, o restante exceto impurezas sendo Ti.
De acordo com uma modalidade preferida, a liga contém 0,3- 3% em peso de Al.
De acordo com uma outra modalidade preferida, a liga Ti-Si contém 3-6% em peso de Si e 1,2-2,5% em peso de Al.
De acordo também com uma outra modalidade preferida, a liga contém 0,001 a 0,15% em peso de metais terras raras e/ou escândio.
Observou-se que a adição de metais terras raras e/ou ítrio e/ou escândio melhora a resistência mecânica a quente e resistência mecânica à distensão da liga Ti-SÍ até pelo menos 675°C.
As adições de terras raras ítrio e escândio forma uma fina dispersão de óxídos termodinamicamente estáveis, tais como Er203, Y2O3, etc. na liga Ti-Si.
A figa preferivelmente contém 0,1 a 1,5% em peso de Cr. A adição de Cr aumenta 0 endurecimento por solução sólida e, portanto, aumenta a resistência mecânica e resistência à oxidação da liga.
No estado fundido, a liga Ti-Si possui microestruturas hipoeutética, eutética ou ligeiramente hipereutética de grão fino, dependendo do teor de silício. A microestrutura da liga Ti-Si eutética consiste de partículas de siliceto de Ti5Si3 finamente dispersas de forma tipo bastão descontínuas dentro da matriz de solução sólida de Ti(Si) alfa de empacotamento hexagonal fechado. A microestrutura hipoeutética consiste de cristais de Ti(Si) a solidificados primários e 0 eutético em volta. A liga Ti-Si de acordo com a invenção tem um limite de escoamento de pelo menos 800 MPa, uma dureza Brinell de 350-400 HB e uma dutilidade e tenacidade à fratura suficientes - fator de intensidade de tração K[C de mais de 23 MPa Vm à temperatura ambiente e até 500°C. A liga Ti-Si de acordo com a invenção apresenta ainda excelente resistência à oxidação até 650°C e acima, dependendo do teor de Si, e melhor resistência ao desgaste, tanto à temperatura ambiente como a elevadas temperaturas. O limite de escoamento a 650°C será de pelo menos Rp0)2 >250 MPa e o resistência mecânica à tração excede Rm = 450 MPa.
As microestruturas hipereutéticas consistem de cristais de TÍ5SÍ3 solidificados primários de forma hexagonal dentro da microestrutura eutética de grãos finos.
No estado fundido, as ligas Ti-Si hipoeutéticas apresentam valores Kic de tenacidade à fratura à temperatura ambiente de mais de 23 MPa 4m , limite de escoamento de mais de 500 MPa com uma deformação plástica de mais de 1,5 a 3%. A liga eutética apresenta uma tenacidade à fratura de Krc de 15-18 MPA 4m e 0 limite de escoamento excede 850 MPa à temperatura ambiente. A 600°C ou mais a tenacidade à fratura é aumentada para 30 MPa -fm e a resistência mecânica é da ordem de pelo menos Rm = 450 MPa.
Testes de oxidação com exposição ao ar a 600°C resultaram em um aumento na massa de menos de 5 mg/cm depois de 500 horas. Em comparação, a liga TÍ-A16-V4 convencional apresenta formação de caso-alfa a 475°C durante exposição a longo prazo ao ar. A tensão fluência (tensão aplicada a uma dada temperatura, onde a taxa de fluência é e = 107 s’1) da liga Ti-Si eutética de acordo com a invenção é maior que 200 Pa a 600°C. Ao contrário, a liga TÍ-A16-V4 com aplicação potencial na indústria aeronáutica e aeroespacial apresenta uma tensão de fluência de cerca de 150 MPa a 450°C. A liga Ti-Si de acordo com a invenção tem um baixo ponto de fusão entre cerca de 1.330 e cerca de 1.380°C. A liga de acordo com a invenção tem adicionalmente excelentes propriedades de fundição, possibilitando fundir virtualmente qualquer tamanho e forma.
Em decorrência de seu espectro e propriedades características apresentadas anteriormente, a liga Ti-Si de acordo com esta invenção é vantajosamente adequada para a fabricação de diversos componentes sujeitos a alta temperatura, tais como: bielas, coroas de pistão, pinos de pistão, válvulas de entrada e saída e coletores de gás de exaustão em motores de combustão interna ou motores a diesel; pás estáticas em compressores de fluxo axial e pás de ventiladores em motores a jato; partes resistentes ao desgaste em máquinas têxteis - teares de tecelagem - como lançadeiras e eixos de conexão; implantes cirúrgicos, placas ósseas, juntas; coberturas duras e ligas de superfície usadas como revestimentos em engenharia de superfície para melhorar a resistência ao desgaste e evitar o desgaste; caixas de relógio; caixas de bombas e propulsores para indústria química e de petróleo. A liga Ti-Si de acordo com a invenção é particularmente adequada como componentes fundidos em virtude de suas temperaturas de fusão relativamente baixas de cerca de 1.330 a 1.380 °C e excelente capacidade de fundição. A liga Ti-Si de acordo com a invenção pode ser produzida de maneira convencional, tal como por fusão a arco em um forno de cobre resfriado a água.
Descrição Detalhada da Invenção Exemplo 1 Uma liga Ti-6Si~2Al hipoeutética de acordo com a invenção foi produzida por fusão a arco usando um eletrodo de tungstênio não consumível. Esponja de titânio com uma pureza de mais de 99,8% em peso, silício grau metalúrgico e grânulos de alumínio com uma pureza de mais de 99,8% em peso foram usados como materiais de partida. A liga foi mantida durante a fusão a arco em um forno de cobre resfriado com água formando um casco sólido fino no forno de cobre e foi então vazada em um molde de cobre a fim de se obterem lingotes tipo haste. Esses formam usinados torneando e polindo em amostras de teste de compressão e tração cilíndricas que apresentam um acabamento superficial liso.
A dureza Brinell foi determinada em cerca de 336 ±3 HB 187,5/2,5 aplicando uma carga de teste de 187,5 kp. A tensão de escoamento foi determinada à temperatura ambiente no teste de compressão em cerca de Rpo,2 ~ 725 a 750 MPa e a deformação plástica excede -epi 10%. A tenacidade à fratura foi medida em um teste de dobramento de quatro pontos, o fator de intensidade da tensão K[C varia entre 19 <= K[C <21 MPa Vm. A uma maior temperatura de 650 °C, a tensão de escoamento é ainda 260 RP0>2 275 MPa e a tenacidade à fratura é cerca de 32 <= KiC <= 34 MPa Vm. O ganho de peso em um teste de oxidação ao ar a 600 °C foi 4,5 mg/cm2 depois de 525 horas.
Exemplo 2 Uma liga Ti-lOSi hipereutética contendo 0,2% em peso de Al foi também produzida por técnica de fusão a arco descrita no exemplo 1. A macrodureza Brinell desta liga foi determinada em cerca de 365 HB 187,5/2,5 e o limite de escoamento à temperatura ambiente varia entre 930 <= RP0,2 <965 MPa dependendo do tamanho de grão da liga. A deformação plástica na compressão é cerca de 6 a 8% e a tenacidade à fratura é entre K(C = 16 e 19 MPa Vm. A uma maior temperatura de 650 °C, o limite de escoamento é cerca de 330 a 360 MPa. A tenacidade à fratura é entre 25 e 28 MPa » . A resistência mecânica à distensão foi determinada a 600 °C e apresenta valores de 215 a 230 MPa no estado de grão grosseiro. A oxidação ao ar a 650 °C leva a um ganho de peso de cerca de 3,8 mg/cm a 500 horas de tempo de exposição.
Exemplo 3 Uma liga Ti-7Si-2Al reforçada com dispersão de óxido hipoeutética (quase eutética) com adição de 0,07% em massa de Y foi também produzida pela técnica de fusão a arco descrita no exemplo 1, Itrio metálico foi adicionado à corrida e formou Y2O3 com 0 oxigênio dissolvido de cerca de 1.200 ppm. A dureza Brinell foi determinada em 347 ±187,5/s,5. O limite de escoamento medido foi cerca de 960 a 990 MPa. Os primeiros experimentos de fluência a 600 °C com a taxa de fluência de e = 10"7 s'1 apresentaram uma resistência mecânica à distensão entre 235 e 255 MPa.
Exemplo 4 Uma liga Ti-5,5Si-3,5Al.-l,5Cr-0,lY reforçada com dispersão de óxido hipoeutética foi produzida pela técnica do método de fusão descrito r no exemplo 1. Itrio metálico foi adicionado à corrida e formou Y203 com oxigênio dissolvido na corrida. A dureza Brinell foi medida em 373 ±2 HB a uma carga de 187,5 Kp a temperatura ambiente e a intensidade da tensão de tenacidade à fratura foi medida em K[C - 21 MPa -im . A 650°C, a resistência mecânica à tração foi medida em cerca de Rm = 360 MPa, a tenacidade à fratura foi determinada entre 35 e 40 MPa Vm , e a resistência mecânica à distensão na taxa de deformação de e = 10"7 s'1 excedeu 270 MPa.
Testes de oxidação a 600°C no ar apresenta um ganho de massa de Λ menos de 8 mg/cm depois de um tempo de exposição de 500 horas. Para comparação, os testes de oxidação da liga TÍ-6A1-4V comercial apresenta um ganho de massa de mais de 20 mg/cm3 depois de 500 horas de exposição ao ar a 600°C.
Esses exemplos mostram que as ligas Ti-Si da presente invenção têm uma resistência mecânica a quente surpreendentemente alta e resistência à oxidação muito boa a altas temperaturas.
Claims (7)
1. Liga a base de titânio-silício de alta resistência mecânica, resistente à oxidação e ao desgaste, caracterizada pelo fato de que a liga contém: 2,5-12% em peso de Si, 0-5% em peso de Al, 0-0,5% em peso de B, 0-5% em peso de Cr, 0,001-1% em peso de metais terras raras e/ou ítrio e/ou escândio, o restante Ti com impurezas inevitáveis.
2. Liga de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizada pelo fato de que a liga contém 0,3 a 3% em peso de AL
3. Liga de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a liga contém 0,001-0,15% em peso de metal terra rara e/ou escândio.
4. Liga de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que a liga contém 0,1 a 1,5% em peso de Cr.
5. Liga de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a liga contém 0,01 a 0,03% em peso de B.
6. Liga de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a liga contém 3-6% em peso de Si e 1,2- 2,5% em peso de Al.
7. Liga de acordo com a reivindicação 1, com uma composição próxima do eutético e a microestrutura relacionada, caracterizada pelo fato de que a liga contém: 6-9% em peso de Si, 1,2-2,5% em peso de Al, 0,001-0,15% em peso de metais terras raras, com o limite de escoamento de mais de 700 MPa à temperatura ambiente, tenacidade à fratura de mais de K]C = 15 MPa 4m , e resistência ao desgaste e oxidação melhorada.
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