Ti-6Al-4VO Ti-6Al-4V, também conhecido como liga de titânio de grau 5, é uma das ligas de titânio mais populares usadas em uma variedade de aplicações. Este artigo apresenta uma visão geral abrangente do Ti-6Al-4V, incluindo sua composição, propriedades, aplicações, especificações, preços, manuseio e muito mais.
Composição Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V é uma liga de titânio alfa-beta que contém 6% de alumínio, 4% de vanádio, 0,25% (máximo) de ferro, 0,2% (máximo) de oxigênio e o restante de titânio. Esta é a composição nominal do Ti-6Al-4V:
| Elemento | Peso % |
|---|---|
| Titânio | Equilíbrio |
| Alumínio | 5.5 – 6.75 |
| Vanádio | 3.5 – 4.5 |
| Ferro | ≤ 0.3 |
| Oxigênio | ≤ 0.2 |
O alumínio estabiliza e fortalece a fase alfa, enquanto o vanádio permite a formação da fase beta. A combinação das fases alfa e beta confere ao Ti-6Al-4V excelente força, resistência à corrosão e trabalhabilidade.
Propriedades do Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V tem as seguintes propriedades que o tornam vantajoso para aplicações aeroespaciais, médicas, marítimas e outras:
| Propriedade | Valor |
|---|---|
| Densidade | 4,43 g/cm3 |
| Ponto de fusão | 1604 - 1660°C |
| Resistência à tração | 895 - 1170 MPa |
| Resistência ao rendimento | 825 - 1103 MPa |
| Alongamento | 8 – 16% |
| Módulo elástico | 114 GPa |
| Resistência à fadiga | 400 - 500 MPa |
| Resistência à fratura | 55 - 115 MPa-m^1/2 |
| Resistência à corrosão | Excelente |
| Biocompatibilidade | Excelente |
Principais recursos:
- Leve, com alta relação resistência/peso
- Resiste a temperaturas extremas
- Alta resistência à fadiga
- Resistente à corrosão, ácidos e cloretos
- Compatível com implantes e próteses
Aplicações do Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V é usado nas principais aplicações a seguir devido à sua combinação exclusiva de propriedades:
| Setor | Formulários |
|---|---|
| Aeroespacial | Componentes de motores de aeronaves, estruturas de aeronaves, fixadores, sistemas hidráulicos |
| Biomédico | Implantes cirúrgicos, próteses ortopédicas e odontológicas |
| Marinha | Hélices, plataformas offshore, tubulações, trocadores de calor |
| Química | Tanques, tubulações, válvulas, bombas, vasos de reação |
| Automotivo | Válvulas, bielas, molas de suspensão |
| Geração de energia | Lâminas de turbinas a vapor, peças de incineradores de resíduos, trocadores de calor |
| Artigos esportivos | Tacos de golfe, quadros de bicicleta, raquetes de tênis, tacos de hóquei |
O Ti-6Al-4V permite projetar componentes e equipamentos mais leves, mais rápidos e mais duráveis.
Especificações do Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V é coberto pelas seguintes especificações:
| Padrão | Título |
|---|---|
| AMS 4911 | Liga de titânio 6Al-4V, folha/tira/placa recozida |
| ASTM B348 | Barras e tarugos de titânio e ligas de titânio |
| ASTM F1472 | Liga forjada de titânio-6alumínio-4vanádio para aplicações de implantes cirúrgicos |
| ASTM F1108 | Liga de titânio-6alumínio-4vanádio para implantes cirúrgicos |
| AMS 4928 | Fundição por cera perdida, aço resistente à corrosão, alta resistência, fusão a vácuo, ligas de titânio |
| AMS 4965 | Chapas, tiras e placas de liga de titânio 6Al -4V recozidas |
| MSRR 9545 | Liga de titânio, folha, tira e placa 6Al - 4V, recozida |
Eles abrangem os limites de composição da liga, as propriedades mecânicas, o tratamento térmico, os requisitos de microestrutura, os testes de corrosão e outros parâmetros.
Formulários de produtos Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V é produzido nas seguintes formas, tamanhos, formatos e acabamentos:
| Formulário do produto | Faixa de tamanho |
|---|---|
| Folha | 0,4 - 6,35 mm de espessura |
| Placa | 6 - 250 mm de espessura |
| Bar | Diâmetro de até 650 mm |
| Vara | Diâmetro de até 650 mm |
| Fio | 0,1 - 15 mm de diâmetro |
| Tubo | 2 - 300 mm de diâmetro |
| Fundições | Tamanhos e formatos personalizados |
| Forjados | Tamanhos e formatos personalizados |
Os acabamentos incluem laminados a quente, laminados a frio, recozidos, polidos, usinados, decapados, descalcificados e muito mais.
Classes Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V é coberto pelas seguintes classes ASTM, que diferem nos níveis mínimos de resistência à tração e ao escoamento:
| Grau ASTM | Resistência à tração (min) MPa | Resistência ao escoamento (min) MPa |
|---|---|---|
| Grau 5 | 895 | 825 |
| Grau 23 | 965 | 895 |
| Grau 24 | 1170 | 1103 |
O grau 5 Ti-6Al-4V oferece as propriedades padrão, enquanto os graus 23 e 24 são variantes de alta resistência.
Fornecedores de Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V está prontamente disponível nos principais fornecedores e distribuidores de titânio a seguir:
- ATI
- VSMPO-AVISMA
- Materiais metálicos ocidentais
- Baoji Titanium Industry Co.
- Tecnologias de supercondutores ocidentais
- Indústrias de titânio
A capacidade global de produção de esponja de titânio foi estimada em cerca de 330.000 toneladas em 2020, sendo grande parte dela usada para a fabricação de Ti-6Al-4V.
Preços do Ti-6Al-4V
Em 2023, o preço do Ti-6Al-4V será de aproximadamente:
| Formulário do produto | Faixa de preço por kg |
|---|---|
| Folha/Placa | $15 – $50 |
| Bar/Rod | $15 – $35 |
| Fio | $25 – $60 |
| Tubo | $20 – $45 |
| Fundições | $25 – $100 |
| Forjados | $25 – $100 |
Os preços variam de acordo com o tamanho, a espessura, o grau, a quantidade pedida, o processamento, os prazos de entrega e a dinâmica de oferta e demanda. As usinas geralmente oferecem descontos com base no volume.
Usinagem de Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V tem baixa condutividade térmica, portanto o calor se dissipa lentamente durante a usinagem. As técnicas recomendadas incluem:
- Use configurações rígidas para minimizar a vibração
- Empregar altas velocidades de corte com avanços/profundidades lentos
- Use ferramentas de inclinação positiva alta com bordas de corte afiadas
- Aplique resfriamento por inundação pesada usando emulsões
- Controle a formação de cavacos para evitar o endurecimento por trabalho
Ferramentas de carbeto, cermet, CBN e diamante são comumente usadas. Deve-se evitar refrigerantes que contenham enxofre.
Soldagem de Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V pode ser soldado usando GTAW, PAW, LBW e outros métodos. As precauções incluem:
- Mantenha a blindagem de gás inerte para evitar a oxidação
- Limite a entrada de calor para evitar rachaduras e perda de resistência
- Pode ser necessário tratamento térmico pós-soldagem
- Combinar a composição do metal de adição com o metal de base
Os metais de enchimento mais comuns são o ER5356 e o ER2319.
Tratamento térmico do Ti-6Al-4V
O Ti-6Al-4V pode ser tratado termicamente para modificar sua microestrutura e propriedades mecânicas:
| Processo | Tratamento térmico típico |
|---|---|
| Recozimento | 705°C por 2 horas, resfriamento ao ar |
| Alívio do estresse | 480 - 650°C por 2 - 4 horas, resfriamento ao ar |
| Tratamento da solução | 930 - 955°C por 1 hora, resfriamento com água |
| Envelhecimento | 480 - 595°C por 2 a 8 horas, resfriamento ao ar |
O recozimento melhora a ductilidade e a usinabilidade. O envelhecimento aumenta a resistência. O tratamento térmico adequado é fundamental para otimizar as propriedades.
Forjamento de Ti-6Al-4V
O forjamento produz componentes sólidos de Ti-6Al-4V com excelente resistência à fadiga. Principais aspectos do forjamento:
- Aqueça lentamente até a temperatura de forjamento de 700 a 850°C
- Podem ser necessárias várias peças forjadas com recozimentos intermediários
- Forjados com acabamento a quente antes do recozimento
- Recozimento após o forjamento para aliviar as tensões
- A tolerância da máquina deve ser de 1 a 2 mm
O forjamento de matriz fechada sob martelos ou prensas produz as melhores propriedades. O titânio requer forças pesadas para o forjamento.
Fundição de Ti-6Al-4V
A fundição por cera perdida de Ti-6Al-4V permite a fabricação de formas complexas com bons acabamentos de superfície:
- Use vários portões e risering para fundições sólidas
- Manter a atmosfera inerte durante a fusão e a fundição
- A prensagem isostática a quente (HIP) ajuda a eliminar defeitos internos
- Fresar quimicamente a superfície para remover a caixa alfa
- Recozimento de peças fundidas para melhorar a ductilidade
O Ti-6Al-4V fundido tem menor resistência à fadiga do que os produtos forjados.
União Ti-6Al-4V
Os métodos comuns de união do Ti-6Al-4V incluem:
- Soldagem por fusão (GTAW, PAW, LBW, feixe de elétrons)
- Brasagem com metais de adição Ti-Cu-Ni
- Fixação mecânica, parafusos, rebites
- Colagem adesiva usando epóxi ou poliimida
A resistência da junta depende do processo utilizado. A combinação da composição da liga e a minimização da contaminação são fundamentais.
Manuseio do Ti-6Al-4V
Práticas de manuseio recomendadas para Ti-6Al-4V:
- Use luvas limpas para evitar a contaminação por óleos e sais da pele
- Evite o contato com metais perigosos como cádmio, mercúrio, gálio
- Evitar a exposição a ácidos, cloretos e outros produtos químicos corrosivos
- Armazene em ambientes frescos, secos e inertes, longe da umidade
- Protege contra arranhões, cortes e amassados durante o transporte e o armazenamento
O pó de titânio é altamente inflamável e sensível a descargas estáticas. Siga os procedimentos adequados de aterramento, ventilação e limpeza.
Segurança Ti-6Al-4V
Principais medidas de segurança para o manuseio de ligas de titânio:
- Use o EPI adequado - proteção para os olhos, máscara contra poeira, luvas
- Use ventilação de exaustão local suficiente durante a usinagem
- Evite respirar fumaça de solda ou corte térmico
- Evitar o acúmulo de cavacos e poeira
- Garantir a disponibilidade de equipamentos adequados de extinção de incêndios
- Siga as práticas de segurança para cilindros de gás comprimido e criogênicos
O titânio em si tem baixa toxicidade, mas o processamento pode gerar partículas perigosas.
Inspeção do Ti-6Al-4V
As peças de Ti-6Al-4V são normalmente inspecionadas usando:
- Exame visual e macro para detectar defeitos
- Teste de líquido penetrante para detectar falhas na superfície
- Inspeção ultrassônica da integridade interna
- Testes radiográficos usando raios X ou raios gama
- Métodos de correntes parasitas para identificar rachaduras e vazios
- Teste de prova e teste de pressão de componentes acabados
A estrutura do grão, a profundidade da caixa alfa, o acabamento da superfície e as dimensões também são comumente verificados.
Garantia de qualidade do Ti-6Al-4V
Os fornecedores de Ti-6Al-4V devem ter sistemas de qualidade certificados:
- Gestão da qualidade ISO 9001
- Padrão aeroespacial AS9100
- Norma ISO 13485 para dispositivos médicos
- NADCAP Processos especiais, como tratamento térmico e NDT
As aplicações médicas e de estruturas de aeronaves têm requisitos regulatórios adicionais.
Vantagens do Ti-6Al-4V
- Excelente relação entre resistência e peso
- Resiste a temperaturas extremas
- Resiste à corrosão em muitos ambientes
- Biocompatível para implantes
- Pode ser tratado termicamente para personalizar as propriedades
- Prontamente formado e usinado
- Disponível em muitos fornecedores qualificados
Limitações do Ti-6Al-4V
- Mais caro do que os aços e as ligas de alumínio
- Rigidez menor que a do aço
- Não pode ser tratado termicamente até a dureza total
- Sujeito a escoriações e gripagem durante a usinagem
- Os tamanhos das seções são limitados pelas capacidades de forjamento e fundição
- A fusão requer uma atmosfera inerte controlada
Ti-6Al-4V vs. outras ligas de titânio
Como o Ti-6Al-4V se compara a outras ligas de titânio populares?
| Liga metálica | Força | Resistência à corrosão | Custo | Casos de uso |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Alta | Excelente | Moderado | Aeroespacial, marítimo, biomédico |
| Titânio CP | Médio | Excelente | Baixa | Sistemas químicos, de água do mar |
| Ti-10V-2Fe-3Al | Muito alta | Bom | Alta | Fixadores aeroespaciais, equipamentos |
| Ti-3Al-2,5V | Médio | Excelente | Moderado | Motores a jato, estruturas de aeronaves |
| Ti-13V-11Cr-3Al | Alta | Excelente | Muito alta | Componentes aeroespaciais |
O Ti-6Al-4V oferece as melhores propriedades gerais a um custo razoável. Outras ligas oferecem maior resistência ou desempenho contra corrosão para aplicações especializadas.
Perguntas frequentes
P: Para que é usado o Ti-6Al-4V?
R: O Ti-6Al-4V é amplamente utilizado em aplicações aeroespaciais, marítimas, de processamento químico, biomédicas e de consumo, nas quais são necessárias alta resistência, baixo peso e resistência à corrosão.
P: O Ti-6Al-4V é mais resistente que o aço?
R: Sim, o Ti-6Al-4V tem uma relação resistência/peso mais alta do que a maioria dos aços, mas menor rigidez. Ele é cerca de 60% mais pesado que o alumínio.
P: O Ti-6Al-4V é compatível com implantes médicos?
R: Sim, o Ti-6Al-4V tem excelente biocompatibilidade e é comumente usado para substituições de articulações, implantes dentários, marca-passos e dispositivos de fixação de fraturas.
P: O Ti-6Al-4V requer tratamento térmico?
R: O Ti-6Al-4V pode ser tratado termicamente para modificar suas propriedades. O tratamento por solução e o envelhecimento podem aumentar significativamente sua resistência.
P: Qual é a diferença entre o Ti-6Al-4V de grau 5 e o de grau 23?
R: O grau 5 é a liga padrão com resistência à tração mínima de 895 MPa. O grau 23 tem requisitos de resistência mais altos, com um mínimo de 965 MPa.
P: Qual é a resistência à corrosão do Ti-6Al-4V?
R: O Ti-6Al-4V tem excelente resistência à corrosão na maioria dos ácidos, cloretos e ambientes de água salgada. Sua passividade é mantida em uma ampla faixa de pH.
P: É possível soldar Ti-6Al-4V?
R: Sim, métodos de soldagem como GTAW, LBW e PAW podem ser usados para soldar Ti-6Al-4V. Os procedimentos adequados devem ser seguidos para garantir a integridade da junta.
P: Qual é o custo do Ti-6Al-4V em comparação com outros metais?
R: Em uma base por libra, o Ti-6Al-4V é mais caro do que os aços e as ligas de alumínio, mas mais barato do que ligas exóticas como Inconel ou Hastelloy.
P: Quais são algumas alternativas ao Ti-6Al-4V?
R: Para uso aeroespacial, o Ti-10V-2Fe-3Al oferece maior resistência. Para resistência à corrosão, o CP Titanium ou o Ti-3Al-2.5V são excelentes. Ti-1023 e Ti-5553 são ligas mais recentes de alta resistência.