Ligas de Titânio na Aviação

O transporte aéreo tornou-se uma parte integrante do nosso dia a dia — seja por meio da logística de carga aérea ou das viagens de avião. Quando olhamos para o céu e observamos aeronaves voando acima de nós, surge naturalmente uma pergunta: quais materiais são utilizados na construção de aviões capazes de transportar cargas tão massivas e operar em altitudes elevadas?
Vamos explorar os materiais por trás dessa capacidade notável.

Visão Geral do Titânio

Em 1948, a DuPont conseguiu com sucesso a produção industrial de titânio esponjoso utilizando o processo de redução com magnésio, marcando um marco importante na história dos materiais à base de titânio. Desde então, as ligas de titânio têm sido amplamente aplicadas em diversos setores industriais devido às suas notáveis propriedades físicas, incluindo alta resistência específica, excelente resistência à corrosão e superior resistência térmica .

Notavelmente, o titânio é um elemento abundante na crosta terrestre, ocupando a posição de nono elemento mais abundante , muito acima da abundância de metais comumente utilizados, como cobre, zinco e estanho. Está amplamente distribuído em muitos tipos de rochas, particularmente em areias e argilas, onde as reservas são especialmente substanciais.

Características do Titânio

O titânio apresenta uma série de propriedades excepcionais, incluindo alta resistência, alta resistência térmica, excelente resistência à corrosão, desempenho notável em baixas temperaturas e elevada reatividade química .

Especificamente, a resistência do titânio supera amplamente a das ligas de alumínio, ligas de magnésio e aços inoxidáveis, tornando-o um dos metais estruturais mais notáveis. 450–500 °C .

Além disso, o titânio demonstra excelente resistência à corrosão por ácidos, álcalis e atmosférica, destacando-se particularmente pela forte resistência à corrosão por pites e à fissuração sob tensão corrosiva . Em temperaturas baixas, ligas de titânio, como TA7 mantêm boa ductilidade e propriedades mecânicas, mesmo em temperaturas tão baixas quanto –253 °C .

No entanto, o titânio apresenta alta reatividade química em temperaturas elevadas e pode reagir facilmente com gases presentes no ar, como hidrogênio e oxigênio, formando camadas superficiais endurecidas. Além disso, as ligas de titânio possuem condutividade térmica relativamente baixa — aproximadamente 1/4 do do níquel, 1/5 do ferro e 1/14 do alumínio —enquanto seu módulo de elasticidade é aproximadamente metade do do aço . Essas características tornam o titânio indispensável em muitas aplicações avançadas de engenharia.

Classificação e Aplicações das Ligas de Titânio

As ligas de titânio podem ser classificadas, de acordo com suas aplicações, em ligas resistentes ao calor, ligas de alta resistência, ligas resistentes à corrosão (como as ligas Ti-Mo e Ti-Pd), ligas para baixas temperaturas , e ligas funcionais especiais , incluindo materiais de armazenamento de hidrogênio à base de titânio–ferro e ligas com memória de forma à base de titânio–níquel.

Embora a história de aplicação das ligas de titânio seja relativamente curta, seu desempenho excepcional lhes rendeu diversas distinções, uma das quais é o título “metal espacial”. Essa denominação decorre de seu baixo peso, alta resistência e excelente resistência a altas temperaturas, tornando-os materiais ideais para aeronaves e veículos aeroespaciais.

Atualmente, aproximadamente três quartos da produção global de titânio e ligas de titânio são utilizados no setor aeroespacial , com muitos componentes que anteriormente eram fabricados em ligas de alumínio agora sendo substituídos por ligas de titânio.

Aplicações Aeronáuticas

As ligas de titânio são materiais essenciais na fabricação de aeronaves e motores. São amplamente empregadas em componentes forjados de ventiladores, discos e pás de compressores, carcaças de motores e sistemas de escapamento , bem como componentes estruturais, tais como estruturas de sustentação e anteparas .

Em aplicações aeroespaciais, a alta resistência específica, a resistência à corrosão e o desempenho em baixas temperaturas das ligas de titânio tornam-nas ideais para recipientes sob pressão, tanques de combustível, fixadores, suportes para instrumentos, estruturas de sustentação e revestimentos de foguetes . As soldagens de chapas de ligas de titânio são amplamente utilizadas em satélites artificiais, módulos lunares, espaçonaves tripuladas e ônibus espaciais .

Em 1950, os Estados Unidos aplicaram, pela primeira vez, ligas de titânio ao Caça-bombardeiro F-84 , utilizando-as em componentes não estruturais, tais como escudos térmicos da parte traseira do fuselagem, condutos de ar e carenagens da cauda. A partir da década de 1960, as ligas de titânio expandiram-se das aplicações na parte traseira do fuselagem para a parte central do fuselagem, substituindo parcialmente o aço estrutural em anteparas, vigas e trilhos de flaps .

Na década de 1970, com a produção em massa de aeronaves civis, como a Boeing 747 , o uso de titânio aumentou drasticamente. Apenas a Boeing 747 utilizava mais de 3.640 kg de titânio , correspondendo a aproximadamente 28% do peso estrutural da aeronave . As ligas de titânio também passaram a ser amplamente empregadas em foguetes, satélites e espaçonaves.

Características de Usinagem das Ligas de Titânio

Em primeiro lugar, as ligas de titânio possuem condutividade térmica relativamente baixa — cerca de um quarto da do aço, um treze avos da da alumínio e um vinte e cinco avos da do cobre durante a usinagem, a dissipação de calor e o resfriamento são, portanto, ineficientes, levando a altas temperaturas concentradas na zona de corte . Isso pode causar deformação da peça trabalhada e recuperação elástica, aumentar o torque de corte, acelerar o desgaste da aresta da ferramenta e reduzir significativamente a vida útil da ferramenta.

Em segundo lugar, como o calor gerado pelo corte concentra-se próximo à aresta de corte e não consegue se dissipar rapidamente, o atrito na face de folga aumenta, tornando a evacuação das cavacos mais difícil e acelerando ainda mais o desgaste da ferramenta.

Por fim, em temperaturas elevadas, a atividade química das ligas de titânio aumenta significativamente. Elas tendem a reagir com os materiais das ferramentas, resultando em adesão, difusão e formação de borda acumulada . Esses fenômenos podem levar ao emperramento, queima ou fratura da ferramenta, afetando severamente a qualidade e a eficiência da usinagem.

Vantagens dos Centros de Usinagem

Os centros de usinagem podem processar múltiplos componentes simultaneamente, melhorando significativamente a eficiência produtiva. Sua alta precisão garante excelente consistência dos produtos, e, com funções de compensação de ferramentas, a precisão inerente da máquina-ferramenta pode ser plenamente aproveitada.

Os centros de usinagem também oferecem grande adaptabilidade e flexibilidade , permitindo facilmente usinagem de arcos, chanfros e transições em concordância. De forma ainda mais impressionante, eles suportam operações multifuncionais , incluindo fresamento, furação, mandrilamento e roscamento — tudo em uma única máquina.

Do ponto de vista do controle de custos, os centros de usinagem permitem uma contabilização precisa de custos e o planejamento da produção, eliminam a necessidade de dispositivos especiais, reduzem os custos globais e encurtam os ciclos produtivos. Eles também reduzem consideravelmente a intensidade do trabalho manual e podem ser integrados perfeitamente com softwares CAM, tais como UG (NX) realizar usinagem multieixo.

Seleção de Ferramentas de Corte e Fluidos de Corte

A seleção de ferramentas de corte e fluidos de corte adequados é crítica ao usinar ligas de titânio. Os materiais das ferramentas devem apresentar alta Dureza e Resistência ao Desgaste para garantir uma remoção eficiente de material. A escolha do fluido de corte afeta diretamente a qualidade e a eficiência da usinagem — fluidos de corte adequados reduzem o atrito e o calor gerado durante o corte, prolongando a vida útil das ferramentas e melhorando a precisão da usinagem.

1. Requisitos para o Material da Ferramenta

• A dureza da ferramenta deve ser significativamente maior do que a das ligas de titânio, para permitir um corte eficaz.
• As ferramentas devem possuir resistência e tenacidade suficientes para suportar altos torques e forças de corte.
• Dada a alta tenacidade das ligas de titânio, as arestas de corte devem permanecer afiadas; portanto, é necessária uma excelente resistência ao desgaste para minimizar o encruamento do material.

2. Seleção da Geometria da Fresa de Ponta

Devido às características únicas de usinagem das ligas de titânio, a geometria da fresa de ponta difere significativamente daquela de ferramentas convencionais.
A menor ângulo de hélice (β) é recomendado para aumentar o volume da ranhura, melhorar a evacuação de cavacos e aprimorar a dissipação de calor.

3. Seleção dos Parâmetros de Usinagem

Ao usinar ligas de titânio, velocidades de corte mais baixas devem ser utilizadas, combinadas com avanços adequados, profundidades de corte razoáveis e sobremetal de acabamento controlado.

4. Seleção e Aplicação do Fluido de Corte

Devem-se evitar fluidos de corte contendo cloro para prevenir a formação de substâncias tóxicas e a fragilização por hidrogênio, bem como reduzir o risco de corrosão sob tensão em temperaturas elevadas.
Recomenda-se utilizar emulsões sintéticas solúveis em água ou refrigerantes especialmente formulados adequados para usinagem de ligas de titânio.