Titânio forte e dúctil

Nature volume 618, páginas 63–68 (2023)Cite este artigo

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As ligas de titânio são materiais leves e avançados, indispensáveis ​​para muitas aplicações críticas1,2. O pilar da indústria do titânio são as ligas de titânio α-β, que são formuladas através de adições de liga que estabilizam as fases α e β3,4,5. Nosso trabalho se concentra no aproveitamento de dois dos mais poderosos elementos estabilizadores e fortalecedores para ligas de titânio α-β, oxigênio e ferro1,2,3,4,5, que são abundantes. No entanto, o efeito fragilizante do oxigênio6,7, descrito coloquialmente como 'a criptonita em titânio'8, e a microssegregação do ferro9 impediram sua combinação para o desenvolvimento de ligas α-β titânio-oxigênio-ferro fortes e dúcteis. Aqui integramos o projeto da liga com o projeto do processo de fabricação aditiva (AM) para demonstrar uma série de composições de titânio-oxigênio-ferro que exibem excelentes propriedades de tração. Explicamos as origens em escala atômica dessas propriedades usando várias técnicas de caracterização. A abundância de oxigênio e ferro e a simplicidade do processo para fabricação em formato líquido ou quase líquido pela AM tornam essas ligas α-β titânio-oxigênio-ferro atraentes para uma ampla gama de aplicações. Além disso, eles oferecem uma promessa para o uso em escala industrial de esponja de titânio ou esponja de titânio-oxigênio-ferro10,11, um resíduo industrial atualmente. O potencial económico e ambiental para reduzir a pegada de carbono da produção intensiva de energia de titânio esponjoso12 é substancial.

A maioria das ligas industriais de titânio (Ti) possui microestruturas baseadas nas duas fases básicas do Ti, a hexagonal compacta (HCP) α e a cúbica de corpo centrado (BCC) β. Representadas por Ti – 6Al – 4V (% em peso usado, a menos que especificado), as ligas α – β Ti são a espinha dorsal da indústria de Ti . Eles podem formar microestruturas compreendendo 2,3,4,5 (1) α-β lamelar com uma relação de orientação próxima de Burgers, (2) α e β equiaxiais ou (3) α globular entre as lamelas α-β. Cada uma dessas microestruturas tem méritos e desvantagens, tornando as ligas α –β Ti versáteis para diversas aplicações industriais . Destes, a microestrutura lamelar α-β tem sido comumente aplicada.

As ligas α-β Ti são formuladas ligando Ti com estabilizadores de fase α e fase β. Os estabilizadores de fase α estão limitados a Al, N, O, C, Ga e Ge (refs. 3,4,5), dos quais N e C são impurezas rigidamente controladas (0,05% N, 0,08% C)2,3 , enquanto Ga e Ge não são comercialmente viáveis. Portanto, assim como Al, O é a única outra opção prática. A Tabela Suplementar 1 lista as principais ligas de α-β Ti usando Al como estabilizador de fase α. Notavelmente, O supera Al em (1) fortalecendo a fase α por um fator de cerca de 20 (calculado de acordo com os dados fornecidos na Tabela 4 na página 16 da ref. 1), (2) estabilizando a fase α por um fator de cerca de 10 (com base na fórmula de equivalência de alumínio dada na página 380 da ref. 5) e (3) restringir o crescimento de grãos β anteriores durante a solidificação por um fator de mais de 40 (10,8 versus 0,26)13. No entanto, esses atributos do O permaneceram subutilizados no desenvolvimento de ligas α –β Ti.

O problema do O como principal estabilizador da fase α no Ti é o seu efeito fragilizante devido às suas fortes interações com discordâncias durante a deformação . Além disso, o O altera o equilíbrio das fases, promovendo a formação da fragilização da fase α2 (Ti3Al) . Essas restrições levaram à seguinte regra de projeto empírico para ligas industriais de Ti: Al + 10 (O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr <9,0% (ref. 5). Para Ti – 6Al – 4V, esta regra de projeto requer menos de 0, 12% de O (ref. 15) a 0, 05% N e 0, 08% C, que foi relaxado para 0, 13% de O para Grau 23 Ti – 6Al – 4V e 0, 20% de O para Grau 5 Ti–6Al–4V. Seguindo esta regra, um teor mais baixo de Al permite um teor mais elevado de O. De fato, a mais recente liga industrial de α-β Ti ATI 425 (Ti-4,5Al-3V-1,8Fe-0,3O) permite um máximo de 0,3% de O devido ao seu menor teor de Al, para o qual a regra empírica acima aceita um máximo de 0,31% O. Se nenhum Al for incluído, esta regra permite um máximo de 0,72% O.