Pós de liga de titânio referem-se a materiais metálicos à base de titânio em forma de pó usados para processos de manufatura aditiva, como sinterização seletiva a laser (SLS) e fusão por feixe de elétrons (EBM). A metalurgia do pó permite a criação de componentes complexos de titânio com propriedades mecânicas superiores em comparação com produtos forjados.
As ligas de titânio são valorizadas por sua alta relação resistência/peso, resistência à fadiga e resistência à corrosão. Quando processadas em pós finos, elas podem ser usadas para imprimir em 3D peças complexas e leves para aplicações aeroespaciais, médicas, odontológicas, automotivas e outras.
Este guia fornece uma visão abrangente de vários tipos de pós de liga de titânio, suas características, aplicações, especificações, fornecedores, custos, instalação, operação e manutenção de equipamentos de AM baseados em pó e muito mais.
Tipos de pós de liga de titânio
As ligas de titânio são geralmente categorizadas em ligas alfa, alfa-beta e beta. Os pós comuns de titânio incluem:
| Tipo | Composição | Características |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Alumínio 6%, vanádio 4% | Liga alfa-beta, mais popular para componentes aeroespaciais devido à resistência e soldabilidade |
| Ti-6Al-7Nb | 6% alumínio, 7% nióbio | Liga alfa-beta, mais resistente do que o Ti-6Al-4V |
| Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | 5% de alumínio, molibdênio, vanádio e cromo | Liga quase alfa, excelente resistência à corrosão e resistência a altas temperaturas |
| Ti-5553 | 5% alumínio, 5% molibdênio, 4% nióbio, 3% vanádio, 1% zircônio | Liga quase alfa, usada para peças de compressores devido à resistência à fadiga |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 10% vanádio, 2% ferro, 3% alumínio | Liga beta, a mais alta resistência de todas as ligas de titânio, mas com menor ductilidade |
Características dos pós de liga de titânio
Principais características dos pós de liga de titânio:
| Característica | Detalhes |
|---|---|
| Forma da partícula | A maioria é esférica, com algumas formas irregulares, o que afeta a fluidez e a densidade de empacotamento |
| Distribuição do tamanho das partículas | A distribuição estreita entre 15-45 mícrons é comum e afeta a densidade e a qualidade da peça final |
| Fluidez | Depende da forma, da distribuição de tamanho, da estrutura da superfície - melhora com esferoidização e agentes de fluxo |
| Densidade aparente | Cerca de 2,5 a 3,5 g/cc com base na composição e no método de processamento - quanto maior, melhor |
| Densidade da torneira | Cerca de 60-80% de densidade teórica com base no empacotamento - quanto maior, melhor a densidade da peça final |
| Teor de óxido | Presente como uma fina camada superficial, níveis mais altos podem causar defeitos nas peças finais |
| Reciclabilidade | Depende da absorção de oxigênio e nitrogênio - geralmente são possíveis até 20 ciclos de reutilização |
Aplicações dos pós de liga de titânio
Os pós de liga de titânio são usados para a fabricação aditiva de componentes críticos em todos os setores:
| Setor | Formulários |
|---|---|
| Aeroespacial | Componentes estruturais de fuselagem, peças de motores a jato, fuselagens, turbinas |
| Médico | Implantes ortopédicos e odontológicos, próteses, instrumentos cirúrgicos |
| Automotivo | Peças de motor, componentes do trem de força, peças sob o capô |
| Industrial | Ferramentas, fabricação de moldes, robótica, equipamentos de fabricação |
| Petróleo e gás | Válvulas, bombas, componentes de cabeça de poço, tubulações |
| Química | Equipamentos de processo, reatores, trocadores de calor |
Os benefícios incluem economia de peso, personalização, montagens simplificadas, prototipagem mais rápida e melhores custos de ciclo de vida em comparação com a fabricação tradicional.
Especificações dos pós de liga de titânio
Os pós de liga de titânio devem atender a especificações químicas, físicas e de microestrutura exigentes para uso em processos de AM:
| Parâmetro | Especificação típica |
|---|---|
| Pureza | >99% titânio, baixa contaminação por O, C, N, H |
| Forma da partícula | Predominantemente esférico |
| Tamanho da partícula | 15 a 45 mícrons |
| Distribuição de tamanho | D10 > 10 mícrons, D90 < 100 mícrons |
| Densidade aparente | >2,5 g/cc |
| Densidade da torneira | >3,5 g/cc |
| Índice de Hausner | <1.25 |
| Taxa de fluxo | >25 s/50 g |
| Óxido de superfície | <3000 ppm |
| Oxigênio a granel | <2000 ppm |
| Nitrogênio | <400 ppm |
| Hidrogênio | <150 ppm |
| Microestrutura | fase alfa, alfa-beta ou beta |
Atender aos padrões de qualidade do pó é fundamental para obter construções sem defeitos, boas propriedades mecânicas e acabamento de superfície.
Fornecedores de pós de liga de titânio
Os principais fornecedores globais de pós de liga de titânio incluem:
| Fornecedor | Graus de pó | Padrões de qualidade |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM B348, ASTM F2924, ASTM F3049 |
| Aditivo Carpenter | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti 6-4, Ti CP2, Ti SP700 | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| Tecnologia LPW | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Ti 5553 | ASTM F2924, ISO 23301 |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti CP-2, Beta-C | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| TLS Technik | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM F2924, ASTM F3001 |
Também é possível obter classes especializadas para aplicações específicas.
Custo dos pós de liga de titânio
Os custos do pó de liga de titânio variam de acordo com o tipo de produto:
| Fator | Detalhes |
|---|---|
| Composição da liga | Ti-6Al-4V mais comum e econômico |
| Grau de qualidade | As classes aeroespaciais são mais caras do que as industriais |
| Volume de pedidos | O preço do pó é reduzido em quantidades maiores |
| Faixa de tamanho de partícula | Pós finos abaixo de 30 mícrons mais caros |
| Fornecedor | Os preços diferem entre as marcas |
| Método de processamento | Os pós atomizados a gás são mais caros do que os atomizados a plasma |
Faixas de preço típicas:
- Ti-6Al-4V: $150 a $450 por kg
- Ti-6Al-4V ELI: $250 a $600 por kg
- Ti-6Al-7Nb: $400 a $750 por kg
- Ti 5553: $500 a $800 por kg
A reciclagem de sucata de titânio pode reduzir os custos em 40-60%.
Manuseio, armazenamento e preparação de pós
O manuseio, o armazenamento e a preparação adequados dos pós de liga de titânio são essenciais:
| Atividade | Procedimento |
|---|---|
| Manuseio | Use capelas de pó e sistemas de transferência a vácuo para minimizar a exposição |
| Armazenamento | Armazene os recipientes fechados em uma atmosfera de argônio livre de umidade |
| Mistura | Misture os pós e o material de reciclagem nas proporções corretas |
| Secagem | Remova a umidade a 200°C por 2 a 4 horas para evitar defeitos |
| Peneiramento | Peneire os pós em uma malha fina para quebrar os aglomerados |
| Condicionamento de fluxo | Adicione agentes de fluxo de 0,1-0,5%, como nanopartículas de sílica |
A contaminação e a entrada de oxigênio devem ser minimizadas para garantir um alto rendimento de reutilização e a qualidade da peça final.
Processo de sinterização seletiva a laser
Visão geral do processo SLS:
- O pó é espalhado em camadas finas e fundido seletivamente por um laser de alta potência
- As estruturas de suporte são construídas simultaneamente com a peça
- As peças são incorporadas no leito de pó não fundido até a conclusão
- O excesso de pó é removido para revelar a peça 3D
A SLS de ligas de titânio requer:
- Tamanho de partícula entre 15-45 mícrons com morfologia esférica
- Baixo teor de oxigênio e nitrogênio
- Otimização precisa da densidade de energia do laser
- Ambiente de gás inerte para evitar contaminação
- Tratamento térmico de peças com alívio de tensão
A SLS permite geometrias complexas, mas o acabamento da superfície e as tolerâncias são inferiores aos da EBM.
Processo de fusão por feixe de elétrons
Visão geral do processo de EBM:
- As camadas de pó de titânio são pré-aquecidas antes da fusão
- As peças são construídas em uma placa em vez de uma plataforma para melhor dissipação de calor
- O feixe de elétrons derrete seletivamente o pó em um vácuo
- Não são necessárias estruturas de suporte e o pó não utilizado pode ser reciclado
A EBM de ligas de titânio requer:
- Tamanhos de pó fino entre 45 e 105 mícrons
- Alta potência de feixe ≥ 3kW e tensões de aceleração de 30 a 60 kV
- Níveis de vácuo abaixo de 5 x 10-5 mbar
- Pré-aquecimento em alta temperatura de até 750°C
O EBM permite velocidades de construção mais altas, melhores propriedades de material e acabamento de superfície em comparação com o SLS.
Pós-processamento de peças de titânio
As peças de titânio feitas por AM requerem pós-processamento:
| Processo | Finalidade |
|---|---|
| Remoção de pó | Remova o pó solto das cavidades internas |
| Alívio do estresse térmico | Reduzir tensões residuais usando tratamento térmico |
| Prensagem isostática a quente | Elimine os vazios internos e aumente a densidade |
| Usinagem | Melhorar a precisão dimensional e o acabamento da superfície |
| Tratamentos de superfície | Aplicar revestimentos ou tratamentos para personalizar as propriedades |
As estruturas de suporte são facilmente removidas, pois são feitas do mesmo material de titânio.
Operação e manutenção de equipamentos de AM de metal
A operação e a manutenção confiáveis dos sistemas AM de metal exigem:
- Treinamento de operadores sobre os recursos da máquina, software e materiais
- Estabelecimento de SOPs para otimização de parâmetros, controle de qualidade e fluxos de trabalho
- Monitoramento e documentação de processos de construção usando sensores, câmeras
- Substituição regular de filtros, peneiras, limpadores e rolos
- Verificação da óptica do laser, dos emissores de feixes de elétrons e da focalização
- Calibração da camada de pó e dos sistemas de fornecimento de energia
- Rastreamento e substituição de suprimentos de argônio, hélio e nitrogênio
- Limpeza de câmaras de construção e sistemas de manuseio de materiais
- Manutenção periódica de acordo com as recomendações do OEM
A manutenção proativa melhora o tempo de atividade, maximiza a vida útil do equipamento e garante a qualidade ideal das peças impressas.
Escolha de um fornecedor de pó de liga de titânio
Fatores para escolher um fornecedor de pó de liga de titânio:
| Considerações | Detalhes |
|---|---|
| Graus de pó | Gama de ligas e composições suportadas |
| Certificações de qualidade | Conformidade com ASTM, ISO e outras normas |
| Personalização | Capacidade de produzir pós especializados para aplicações |
| Relatórios de análise de lote | Composição, características e resultados de testes para cada lote |
| Recursos de teste | Escopo dos testes de qualidade realizados nos materiais recebidos |
| Serviços de amostragem | Fornecimento de amostras grátis para avaliação |
| Prazos de entrega | Níveis de estoque e taxas de produção para atender às metas de entrega |
| Quantidades mínimas de pedido | Flexibilidade com pequenos pedidos de teste |
| Conhecimento técnico | Conhecimento de metalurgia e aplicações para ajudar os clientes |
| Atendimento ao cliente | Capacidade de resposta a consultas, problemas e necessidades personalizadas |
| Preços | Preços competitivos e transparentes, descontos em volumes maiores |
A escolha de fornecedores de boa reputação, com rigoroso controle de qualidade, garante uma fonte confiável de pós de liga de titânio de alto desempenho adaptados aos processos de AM.
Prós e contras dos pós de liga de titânio
Vantagens:
- Alta relação resistência/peso
- Resistência à corrosão e à fadiga
- Biocompatibilidade para usos médicos
- É possível fabricar ligas personalizadas
- Geometrias complexas e leves produzidas por AM
- Mais rápido e mais barato do que a usinagem subtrativa
- Redução dos prazos de entrega e dos estoques
Limitações:
- Os pós são caros em comparação com outros materiais
- Disponibilidade limitada de fornecedores e equipamentos de AM
- Difícil de obter alta densidade e acabamento superficial
- O processamento secundário geralmente é necessário
- Suscetível à contaminação durante o manuseio
- O pós-processamento pode ser caro e demorado
- Falta de códigos e padrões para controle de qualidade
Com os desenvolvimentos contínuos na tecnologia AM, os pós de liga de titânio oferecem um potencial empolgante em todos os setores de manufatura, em comparação com os desafios de processamento que estão melhorando continuamente.
Perguntas frequentes
P: Quais são as principais ligas de titânio usadas na metalurgia do pó?
R: O Ti-6Al-4V é a liga de titânio em pó mais comum devido à sua excelente força, resistência à corrosão e soldabilidade. Outras ligas incluem Ti-6Al-7Nb para maior resistência e Ti 6-4 ELI para usos biomédicos.
P: Como a qualidade do pó de liga de titânio afeta as propriedades das peças de AM?
R: As características do pó, como a distribuição do tamanho das partículas, a forma, a densidade de vazamento e o teor de oxigênio, afetam diretamente a densidade, o acabamento da superfície, a microestrutura e o desempenho mecânico das peças finais.
P: Que precauções são necessárias ao manusear pós de titânio?
R: A exposição ao ar causa contaminação, portanto, os pós de titânio devem ser manuseados em um ambiente de gás inerte sem umidade, usando luvas e respiradores. Os contêineres de armazenamento devem ser selados a vácuo.
P: Qual é a faixa de preço típica do pó de liga Ti-6Al-4V?
R: Para pós de Ti-6Al-4V de grau industrial padrão adequados para AM, o preço geralmente fica entre $150 e $450 por kg, dependendo da quantidade e do fornecedor. As classes aeroespaciais são mais caras.
P: Quais são as principais vantagens do SLS em relação ao EBM para ligas de titânio?
R: A SLS pode produzir geometrias complexas e leves sem suportes. O EBM permite maior velocidade de construção, melhores propriedades de material e acabamento de superfície.
P: Por que o pós-processamento é necessário em peças de titânio AM?
R: Etapas como prensagem isostática a quente, tratamento térmico e usinagem ajudam a aliviar as tensões, fechar os vazios internos, melhorar a precisão dimensional e aprimorar o acabamento da superfície.
P: Como maximizar a capacidade de reciclagem e reutilização do pó?
R: Minimizando a exposição ao ar durante o manuseio, secando os pós antes da reutilização e misturando-os com pequenas proporções de pó fresco para evitar o acúmulo de impurezas.
P: Quais padrões são usados para especificar a qualidade dos pós de liga de titânio?
R: As principais normas são ASTM F2924, ASTM F3001 e ISO 23301, que fornecem limites de composição, métodos de teste aceitáveis e procedimentos de amostragem.