Titânio forte e dúctil

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

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As ligas de titânio são materiais leves avançados, indispensáveis ​​para muitas aplicações críticas1,2. O esteio da indústria de titânio são as ligas de titânio α-β, que são formuladas por meio de adições de ligas que estabilizam as fases α e β3,4,5. Nosso trabalho se concentra em aproveitar dois dos mais poderosos elementos estabilizadores e reforçadores para ligas de titânio α–β, oxigênio e ferro1,2,3,4,5, que são prontamente abundantes. No entanto, o efeito de fragilização do oxigênio6,7, descrito coloquialmente como 'a criptonita para o 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 de liga com o projeto de processo de manufatura 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 de fabricação em forma líquida ou quase líquida por AM tornam essas ligas α-β titânio-oxigênio-ferro atraentes para uma ampla gama de aplicações. Além disso, eles oferecem a promessa de uso em escala industrial de titânio-esponja fora do padrão ou titânio-oxigênio-ferro10,11, um resíduo industrial atualmente. O potencial econômico e ambiental para reduzir a pegada de carbono da produção12 de titânio esponjoso com uso intensivo de energia é substancial.

A maioria das ligas industriais de titânio (Ti) possui microestruturas baseadas nas duas fases básicas do Ti, o hexagonal compactado (HCP) α e o cúbico de corpo centrado (BCC) β. Representado por Ti–6Al–4V (% em peso usado ao longo, a menos que especificado), as ligas α–β Ti são a espinha dorsal da indústria de Ti1,2. Eles podem formar microestruturas compreendendo2,3,4,5 (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 vantagens e desvantagens, tornando as ligas α–β Ti versáteis para diversas aplicações industriais1,2,3,4,5. Destes, a microestrutura lamelar α-β tem sido comumente aplicada.

As ligas α–β Ti são formuladas pela liga de Ti com estabilizadores de fase α e fase β. Os estabilizadores de fase α são 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. Assim, assim como Al, O é a única outra opção prática. A Tabela Complementar 1 lista as principais ligas α–β Ti usando Al como estabilizador da fase α. Notavelmente, O ofusca Al em (1) fortalecimento da 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) estabilização da 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) restringindo 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 de O permaneceram subutilizados no desenvolvimento de ligas α-β Ti.

O problema do O como principal estabilizador da fase α no Ti é seu efeito fragilizador devido às suas fortes interações com discordâncias durante a deformação6,7. Além disso, o O altera o equilíbrio de fases, promovendo a formação da fase α2 fragilizante (Ti3Al)14. 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% O (ref. 15) a 0,05% N e 0,08% C, que foi relaxado para 0,13% O para Grau 23 Ti–6Al–4V e 0,20% O para Grau 5 Ti–6Al–4V. Seguindo esta regra, um menor teor de Al permite um maior teor de O. De fato, a mais recente liga industrial α–β Ti ATI 425 (Ti–4.5Al–3V–1.8Fe–0.3O)16 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.