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Aos Meus Pais e Irmãos
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Desenvolvimento de um Forno para Fusão em Cadinho Frio e Vazamento em Contra-Gravidade
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Resumo
A produção de componentes por fundição de ligas reactivas é cada vez mais um importante
desafio para o auxílio directo às indústrias automóveis, aeronáuticas e inclusive à indústria
biomédica. A diversidade de ligas reactivas e as características que possuem relativamente a
outros materiais convencionais são por demais evidentes quando se fala de aplicações onde os
requisitos de trabalho são extremamente apertados, tais como ambientes altamente corrosivos,
temperaturas de serviço elevadas, aliás muito perto da temperatura de fusão destes mesmos
materiais.
Na procura de respostas a estas solicitações, surge a necessidade do domínio das tecnologias
que permitem a obtenção de componentes que satisfaçam a elevada procura existente. Neste
sentido e para atingir os objectivos propostos neste trabalho, tendo em conta que este projecto
não só interessa à fusão e vazamento de ligas de Titânio convencionais para impulsores mas
também para a fusão e vazamento de turbinas em superligas de Níquel e em Aluminetos de
Titânio, este trabalho começa por fazer uma breve revisão sobre as referidas ligas, os
processos de fusão quer para a obtenção de matérias-primas quer para o vazamento de
componentes finais. É também realizada uma pesquisa sobre os processos actuais de fusão e
vazamento por contra-gravidade de ligas reactivas, uma vez que este trabalho se centra no
projecto de uma alternativa ao forno existente de fusão em cadinhos frios com vazamento por
gravidade.
Seguidamente é feita uma pesquisa sobre a fusão por indução em vácuo, e uma abordagem à
teoria da indução, complementada com uma pesquisa de fornecedores destes equipamentos, e
de alguns grandes produtores de componentes a nível mundial.
O trabalho prático desenvolvido nesta tese iniciou-se com uma pesquisa de patentes para o
desenvolvimento de um cadinho de cobre refrigerado, seguindo-se o estabelecimento das
especificações do forno a desenvolver, trabalho de elaboração do conceito, selecção de
conceitos e projecto propriamente dito.
Entretanto como para validar o projecto havia a necessidade de ter a certeza que um tubo
cerâmico, necessário para a aspiração, garantidamente funcionaria são também apresentadas
as metodologias para a sua obtenção.
Esta tese termina com uma breve simulação do processo desenvolvido utilizando o softwareViewCast/Experto e fazendo uso do sistema de pressões diferenciais.
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Development of a Furnace for Melting and Pouring in a Cold Crucible by
Counter-Gravity
Abstract
The production of components by casting of reactive alloys is more than ever a challenge for
direct aid to the industries of automotive, aviation and even biomedical. The diversity of
reactive alloys and the characteristics they possess compared with other conventional
materials are too evident when it comes to applications where the job requirements are
extremely tight, such as highly corrosive environments, high operating temperatures, in factvery close to the melting point of these materials.
In search of answers to these requests, the need arises in the area of the technologies which
enables to obtain components that meet the high demand. To reach the goals presented in this
work, and bearing in mind that this project does not only interest to the fusion and casting of
titanium alloys for conventional impellers but also for melting and casting Nickel Superalloys
and Titanium Aluminides Turbines, this work begins with a brief review of these alloys,
melting processes either to obtain raw materials or final casting components. It’s also
conducted a survey on the current processes of melting and counter-gravity casting of reactive
alloys, since this work focuses on the development of an alternative to the existing furnace
that melts in a cold crucible with gravity casting.
Then a search is performed on the induction melting, and an approach to the theory of
induction, complemented with a survey of suppliers of such equipment using vacuum
conditions, and some of the large worldwide producers of components.
The practical work developed in this thesis began with a patent search to develop a cooled
copper crucible, followed by the establishment of the specifications of the furnace to develop,
concept development, selection of the concepts and project itself.
Meantime to approve the project there was the need to make sure that a ceramic tube needed
to suck the metal would definitely work, are also presented the new phases to obtain it.
This thesis ends with a brief simulation of the process developed using a software
ViewCast/Experto making use of differential pressures.
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Agradecimentos
Ao Eng.º Rui Neto, orientador no INEGI, agradeço a disponibilidade e a oportunidade que me
concedeu para a realização deste Tese. Agradeço acima de tudo o conhecimento bem como os
concelhos pessoais que me transmitiu e que se revelarão sem dúvida nenhuma na minha vida
profissional
Á Eng.ª Ana Reis, orientadora na FEUP, agradeço toda a ajuda que me faculto, a
disponibilidade e preocupação que teve na conclusão e melhoria desta tese.
A todos os elementos do INEGI/CETECOFF, agradeço todo o apoio que me deram tanto a
nível profissional como pessoal. Um especial obrigado a todos os que fizeram parte integrantedesta tese: Pedro Silva, Ricardo Pereira, Bártolo Paiva, Paulo Machado, Fernando Seabra,
Nuno Azevedo Paulo Araújo, José Teixeira, Sertório Lares e Ricardo Paiva. Um especial
agradecimento ao Nuno Leal pela amizade, companheirismo e ajuda nos 5 meses de Tese no
INEGI.
A todos os elementos do INEGI que directa ou indirectamente contribuíram para a realização
desta tese, em especial pela amizade à Aida Costa, José Costa, Samuel Ramos e Vítor Amaral.
Aos elementos da Zollern, Eng.º Rui Félix por toda a ajuda e disponibilidade e amizade que
me prestou e ao Filipe Ferreira pela amizade e ajuda no trabalho.
A todos os meus amigos que sempre cá estiveram no apoio incondicional e na força que me
deram para a conclusão desta tese, especialmente ao meu grande e sempre amigo Rui Melo.
Aos meus Pais Luís e Maria José Freire de Andrade, a paciência, apoio, ajuda, conforto,
amizade e sobretudo o enorme sentido paternal que me levou a superar todas as dificuldades
ao longo deste percurso e na conclusão desta tese. Aos meus irmãos Francisca e AntónioFreire de Andrade um obrigado pela ajuda, amizade e apoio prestado ao longo deste período.
A toda a minha família pela força que sempre me deram.
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Lista de Abreviaturas
AC – Corrente Continua
Al – Alumínio
AOD - Argon Oxigen Degassing
at % - Percentagem Atómica
CP – Comercialmente Puro
CAD – Desenho Assistido por Computador
CCC – Cúbica de Corpo Centrado
Ce – Cério
Cr – Crómio
CFC – Cúbica de Faces Centradas
CLA - Countergravity Low Pressure Air Melt
CLI - Countergravity Low-Pressure Inert Gas
CLV - Countergravity Low Pressure Vacuum
CNC – Comando Numérico computorizado
Co – Cobalto
Cu - Cobre
DC – Corrente Continua
DS – Directionally Solidified
EBR - Electro Beam Remelting
ESR – Eelctroslag Remelting
Fe – Ferro
GMM - Gravity Metal Mold
H – Hélio
HC – Hexagonal Compacta
Hf – Háfnio
HIP - Hot Isostatit Pressing
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HPC - High Pressure Compressors
ISM – Induction Skull Melting
IVL - Induction Vacuum Ladle Furnaces
LPT - Low Presure Turbine
LSVAC - Loose Sand Vacuum Assisted counter-gravity Casting
Mg - Magnésio
Mo – Molibdénio
Na – Sódio
Nb – Nióbio
Ni – Níquel
ODS – Oxide Dispersion Strengthened
PAM - Plasma Arc Melting
Pd – Paládio
Si – Silício
Sn – Estanho
SPAL – Surface Proteccion Air Liquide
STL – Standard Template Library
Ta – Tântalo
Ti – Titânio
VADER - Vacuum Arc Doble Electrode Remelting
V – Vanádio
VAR – Vaccum Arc Remelting
VIM – Vacuum Induction Melting
VPIC - Vacuum Precision Investment Casting Furnaces
Wt – Peso Molecular
Zn – ZincoZr – Zircónio
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ZCP - Zollern & Comandita Portugal
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ÍNDICE
Capítulo 1 - Introdução.......................................................................................................................... 1
1.1 Apresentação da Empresa de Acolhimento ............................................................................ 1
1.2 Apresentação do Projecto COMPINTEGRA e Enquadramento da Tese no INEGI .............. 21.3 Organização e Temas Abordados na Tese ............................................................................. 3
1ª Parte - Levantamento Bibliográfico ................................................................................................. 5
Capítulo 2 – Ligas Reactivas ................................................................................................................. 7
2.1 História do Titânio ................................................................................................................. 7
2.1.1 Aplicações de Titânio e suas ligas ................................................................................... 8
2.1.2 Generalidades do Titânio e suas Ligas ............................................................................ 9
2.1.3 Estrutura Cristalina .......................................................................................................... 9
2.1.4 Classificação das Ligas de Titânio ................................................................................ 10
2.1.5 Ligas Titânio Convencionais ......................................................................................... 10
2.1.6 Diagrama Ti-Al ............................................................................................................. 12
2.2 Aluminetos de Titânio .......................................................................................................... 13
2.2.1 Propriedades dos Aluminetos de Titânio ....................................................................... 15
2.2.2 Composição Química dos Aluminetos de Titânio ......................................................... 18
2.2.3 Estrutura Cristalina dos Aluminetos de Titânio ............................................................ 20
2.2.4 Microestruturas dos Aluminetos ................................................................................... 21
2.2.5 Resistência e Ductilidade do TiAl ................................................................................. 22
2.2.6 Tenacidade e Fadiga ...................................................................................................... 24
2.2.7 Fluência do TiAl ............................................................................................................ 25
2.2.8 Oxidação a Longo prazo dos Aluminetos de Titânio. ................................................... 26
2.3 Superligas ............................................................................................................................. 29
2.3.1 Introdução às Superligas de Níquel ............................................................................... 29
2.3.2 Aplicações ..................................................................................................................... 31
2.3.3 Tipos de Ligas de Níquel .............................................................................................. 32
2.3.4 Composição Química .................................................................................................... 34
2.3.5 Estrutura Cristalina ........................................................................................................ 36
2.3.6 Propriedades Mecânicas ................................................................................................ 38
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Capítulo 3 - Processos de Fusão de Ligas Reactivas em Fornos de Vácuo ..................................... 39
3.1 Fornos de Arco Eléctrico...................................................................................................... 39
3.1.1 VAR – Vacuum Arc Remelting ..................................................................................... 39
3.1.2 ESR – ELECTROSLAG REMELTING .......................................................................... 40
3.1.3 EBM - Electron Beam Melting ...................................................................................... 41
3.1.4 PAM – Plasma Arc Melting .......................................................................................... 42
3.2 Fornos de Indução ................................................................................................................ 43
3.2.1 VIM - Vacuum Induction Melting ................................................................................. 43
3.2.2 ISM – Induction Skull Melting ...................................................................................... 44
3.3 Vazamento por contra-gravidade em vácuo ......................................................................... 45
3.3.1 Processo de Contra Gravidade em Vácuo ..................................................................... 45
3.3.2 A evolução do Processo de Contra-gravidade ............................................................... 45
3.3.3 Vazamento por contra-gravidade de ligas reactivas ...................................................... 47
3.3.4 Vazamento por contra-gravidade em moldação de areia. ............................................. 48
Capítulo 4 - Processos de Fusão e Vazamento ................................................................................... 51
4.1 Fusão e Vazamento de Aluminetos de Titânio ..................................................................... 51
4.1.1 Tecnologia de obtenção de lingotes .............................................................................. 51
4.1.2 Tecnologia de Investment Casting ................................................................................ 53
4.1.3 Processos alternativos de Vazamento ............................................................................ 56
4.2 Fusão e Vazamento de Superligas ........................................................................................ 57
4.2.1 Processos de fusão das Superligas ................................................................................. 57
4.2.2 Processo de Vazamento ................................................................................................. 59
Capítulo 5 - Indução ............................................................................................................................. 61
5.1 Princípio da Indução ............................................................................................................ 61
5.2 Profundidade do efeito de pele ou profundidade de penetração........................................... 63
5.3 Unidades de Potência ........................................................................................................... 65
5.4 Indutores ............................................................................................................................... 66
5.5 Cálculo Simplificado da Transferência de Potência ............................................................. 66
5.6 Formato e Construção de Bobines ....................................................................................... 67
5.7 Características do aquecimento por indução ........................................................................ 69
Capítulo 6 - Fabricantes de Fornos de Fusão e Vazamento em Vácuo ........................................... 71
6.1 Fabricantes de Fornos .......................................................................................................... 71
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6.1.1 CONSARC .................................................................................................................... 71
6.1.2 Linn High Therm ........................................................................................................... 72
6.1.3 ALD – Advanced Vacuum Technology ......................................................................... 72
6.1.4 Retech Systems, LLC ..................................................................................................... 74
Capítulo 7 - Produtores de Componentes de Ligas Reactivas .......................................................... 75
7.1 Produtores de Componentes por processos convencionais .................................................. 75
7.1.1 ALCOA HOWMET ...................................................................................................... 75
7.1.2Fu Sheng ........................................................................................................................ 76
7.2 Produtores pelo processo de Contra-Gravidade ................................................................... 77
7.2.1 Hitchinner ...................................................................................................................... 77
7.2.2 Daido ............................................................................................................................. 78
2ª Parte - TRABALHO PRATICO ..................................................................................................... 81
Capítulo 8 - Desenvolvimento do Conceito ........................................................................................ 83
8.1 Desenvolvimento do Conceito e Identificação das Necessidades ........................................ 83
8.2 Variáveis que Levaram a uma Nova Procura ....................................................................... 85
8.3 Princípio do Funcionamento do Cadinho Frio ..................................................................... 86
8.4 Desenvolvimento do Cadinho Frio ...................................................................................... 878.5 Descrição da Patente ............................................................................................................ 88
Capítulo 9 - Trabalho Prático ............................................................................................................. 91
9.1 Levantamento de Necessidades ............................................................................................ 91
9.2 Dilatação Térmica Titânio .................................................................................................... 98
9.3 Materiais usados na construção do cadinho ......................................................................... 99
9.3.1 Cobre ............................................................................................................................. 99
9.3.2 Latão ............................................................................................................................ 100
9.3.3 Aço Inox 304 ............................................................................................................... 101
9.4 Cadinho Final ..................................................................................................................... 102
9.4.1 Descrição dos Componentes ....................................................................................... 104
9.4.2 Apontamentos às componentes standard constituintes do cadinho: ............................ 105
9.4.3 Gomos ......................................................................................................................... 105
9.4.4 Tampa Base ................................................................................................................. 106
9.4.5 Tampa com Colectores ................................................................................................ 107
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9.4.6 Tampa Interior Superior .............................................................................................. 108
9.4.7 Tampa Interior Inferior ................................................................................................ 110
Capítulo 10 - Projecto das Câmaras ................................................................................................. 113
10.1 Inicio do Projecto ............................................................................................................... 11310.2 Indutor ................................................................................................................................ 114
10.3 Cargas e Altura de Aspiração ............................................................................................. 115
10.4 Bellows ............................................................................................................................... 118
10.5 Escudo protecção Bellow ................................................................................................... 120
10.6 Câmaras .............................................................................................................................. 122
10.7 Câmara com Indutor e Bobine ........................................................................................... 123
10.8 Câmaras Superiores ............................................................................................................ 126
10.8.1Câmara Superior de Baixo ......................................................................................... 127
10.8.2Câmara Superior de Cima .......................................................................................... 131
10.9 Tampa para suporte do cadinho ......................................................................................... 132
10.10 Sistema Final ................................................................................................................ 133
Capítulo 11 – Validação do Conceito Desenvolvido ........................................................................ 135
11.1 Fabrico de Carapaças Cerâmicas........................................................................................ 135
11.2 Obtenção de Moldes ........................................................................................................... 137
11.3 Injecção de Ceras ............................................................................................................... 138
11.4 Preparação Carapaças Cerâmicas ....................................................................................... 140
11.5 Procedimento Usado nas Carapaças cerâmicas .................................................................. 142
11.6 Descirificação ..................................................................................................................... 146
11.7 Sinterização ........................................................................................................................ 147
11.8 Colagem ............................................................................................................................. 151
11.9 Nova Carapaça ................................................................................................................... 153
Capítulo 12 - Simulação ..................................................................................................................... 155 12.1 Preparação da simulação em ViewCast/Experto ................................................................ 155
12.2 Resultados da Simulação .................................................................................................... 159
Capítulo 13 - Componentes Produzidos ........................................................................................... 165
13.1 Descrição ............................................................................................................................ 165
13.2 Maquinagem do Cadinho ................................................................................................... 166
13.3 Brasagem do Cadinho ........................................................................................................ 167
Capítulo 14 – Conclusões e Trabalhos Futuros ............................................................................... 171 14.1 Conclusões ......................................................................................................................... 171
14.2 Trabalhos Futuros ............................................................................................................... 172
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ANEXOS ............................................................................................................................................. 181
ANEXO A – Patentes que Contribuíram para a Realização Deste Trabalho ............................. 182
ANEXO B – Catálogo de ORINGS SOVE ............................................................................... 184
ANEXO C – Levantamento de Dados da Altura da Bobine ...................................................... 187
ANEXO D – Falange Projectada do Bellow .............................................................................. 190
ANEXO E – Dados Completos Bellow COMVAT ..................................................................... 191
ANEXO F – Barbotinas Desenvolvidas..................................................................................... 192
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - A Ilmenita ou Ilmenite é o óxido natural de ferro e titânio (FeTiO3) [2]. ................. 8
Figura 2 - Diagrama de fase Ti-Al [7]. ..................................................................................... 12
Figura 3 - Dependência da Temperatura em função da Resistência Mecânica para as várias
ligas [9]. .................................................................................................................................... 14
Figura 4 - Representação dos materiais num motor de avião em função da temperatura [10]. 14
Figura 5 - Representação dum Turbo Reactor da Rolls-Royce usado na aviação [12]. ........... 15
Figura 6 - Tensão em função da temperatura das ligas ortorrombicas e alfa-2 com a superliga
de níquel Inconel 718 [4]. ......................................................................................................... 17
Figura 7 - Exemplo de microestruturas da liga Ti-47Al-3.7(Nb, Cr, Mn, Si)-0,5B obtidas após
diferentes tratamentos térmicos: a) Microestrutura quase γ; b) Microestrutura Duplex; c)
Microestrutura completamente lamelar [8]. ............................................................................. 22
Figura 8 - Dependência da temperatura em função da Tensão de cedência dos aluminetos de
titânio γ em comparação com superligas: (1) Ti-47Al-2Cr-0.2Si; (2) Ti-45AL-(5-10)Nb; (3)
IMI 834; (4) Rene 95; (5) Inconel 718; (6) IN713LC[8]. ........................................................ 24
Figura 9 - Ganho de peso das ligas γ-TiAl após exposição isotérmica ao ar durante 7000 horas
a 704 °C. O mesmo teste foi ainda feito para as ligas TiAl, TiAl-2Cr, Ti48Al-2-2, e
tratamento superficial das ligas Ti48Al-2-2 e TiAl-2Nb [15]. ................................................. 28
Figura 10 - Microestrutura típica e camadas, observadas na liga binária TiAl após exposição a
704 ° e 7000 horas de serviço [15]. .......................................................................................... 28
Figura 11 - Percentagem de uso das Superligas de Níquel nos vários sectores da Indústria
[19]. .......................................................................................................................................... 30
Figura 12 -Tensão de Ruptura dos diferentes tipos de superligas de Níquel [21]. ................... 33
Figura 13 – Elementos de Liga usados nas Superligas de níquel [20] ..................................... 36
Figura 14 - Resistência à Tracção em função da temperatura das Superligas de Níquel [23]. 38
Figura 15 - Esquema representativo do funcionamento dum forno VAR [25] ........................ 39
Figura 16 - Esquema do processo de ESR e de uma unidade de produção [27]. ..................... 41
Figura 17- Processo EBM, Fusão por colisão de um feixe de electrões [30]. .......................... 42
Figura 18 - Esquema de um forno para fusão pelo processo PAM [33]. ................................. 42
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Figura 19 - Instalação automatizada de um forno de indução VIM [35]. ................................ 43
Figura 20 - Representação do cadinho de cobre refrigerado e da levitação no seu interior
típico do processo ISM [37]. .................................................................................................... 44
Figura 21 - Forno de indução com cadinho frio, ISM [36]. ..................................................... 45
Figura 22 - Processo CLA [39]. ............................................................................................... 46
Figura23 - Vantagens do processo CLA e CLV [39]. .............................................................. 47
Figura 24 – Esquema do vazamento por contra-gravidade de ligas reactivas com gás inerte,
Hitchiner [40]. .......................................................................................................................... 48
Figura 25 – Comparação entre um cacho de peças para a vazamentos tradicionais e por
contra-gravidade [40]. .............................................................................................................. 48
Figura 26 – Representação do processo LSVAC / Unidade de produção usando este sistema
[38]. .......................................................................................................................................... 49
Figura 27 - a) Forno de Fusão com centrifugação b) Processo de Vazamento por contra-
Gravidade [42] [43]. ................................................................................................................. 54
Figura 28 - Processo desenvolvido pela empresa DAIDO STEEL apelidado de LEVI CAST
(Counter Gravity Vacuum Casting) [44]. ................................................................................. 56Figura 29 – Lei de Faraday da Indução [46]. .......................................................................... 62
Figura 30 – Factor de correcção, função do diâmetro da carga sobre a profundidade do efeito
de pele, d/p [45]. ....................................................................................................................... 64
Figura 31 - Aquecimento por indução numa carga cilíndrica colocada fora do centro [45]. ... 68
Figura 32 – Efeito da geometria da bobine na indutância [45]. ............................................... 68
Figura 33 - Linha de produção de turbocompressores e lâminas de turbinas em γ-TiAl e Ti[49]. .......................................................................................................................................... 72
Figura 34 – Forno LEICOMELT® da empresa ALD, versão de três câmaras com controlo
remoto [51]. .............................................................................................................................. 73
Figura 35 – Forno Retech duplo VIM [53]. .............................................................................. 74
Figura 36 - Tacos de golf produzidos pela Fu Sheng, em materiais como titânio, aço inox e
materiais compósitos [58]. ........................................................................................................ 76Figura 37 - Variedade de peças produzidas pela Hitchiner para a indústria aeroespacial [61].
.................................................................................................................................................. 78
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Figura 38 - Variedades de peças produzidas pela empresa Daido [63]. ................................... 79
Figura 39 – Configuração cadinho frio em taça do INEGI ...................................................... 85
Figura 40 - Representação da constituição e princípio de funcionamento dos cadinhos de
cobre refrigerados [67]. ............................................................................................................ 86
Figura 41 – Exemplo de um cadinho frio com dois gomos danificados .................................. 87
Figura 42 – Figura de esquerda, Cadinho Patente Completo. Figura da direita parte superior
do cadinho, conjunto base e gomos numa peça única. ............................................................. 90
Figura 43 – Figura da esquerda pormenor da construção de tubos em latão para a admissão da
água aos gomos. Figura da direita, base com zona para entrada e saída água. ........................ 90
Figura 44 - Bobines existentes no INEGI fabricadas na empresa CELES ............................... 93
Figura 45 – Esboço Inicial do Colector de entrada e caixa de água fria .................................. 93
Figura 46 - Esboço Inicial dos Gomos com os Tubos no seu interior ...................................... 95
Figura 47 - Esboço Inicial da saída de água para a caixa de água quente após refrigeração dos
gomos ....................................................................................................................................... 95
Figura 48 - Cadinho Final Desenvolvido, Vista de conjunto ................................................. 103
Figura 49 - Detalhes do Cadinho Final Desenvolvido ........................................................... 103
Figura 50 – Detalhe dos Gomos ............................................................................................. 105
Figura 51 - Detalhe Vista de baixo Tampa Base .................................................................... 106
Figura 52 - Detalhe Vista de Topo Tampa Base .................................................................... 106
Figura 53 – Detalhe interior Tampa com Colectores ............................................................. 107
Figura 54 – Detalhe Reforço em Inox .................................................................................... 108Figura 55 – Tampa Interior Superior mais tubos brasados prontos para a montagem ........... 109
Figura 56 – Detalhe Vista de cima Tampa interior superior da caixa de água fria ................ 110
Figura 57 – Detalhe Vista de baixo Tampa interior superior da caixa de água fria ............... 110
Figura 58 – Detalhe Tampa interior inferior da caixa de água fria ........................................ 111
Figura 59 – Primeira Versão do Forno de Fusão em Vácuo do INEGI.................................. 113
Figura 60 – Colector ............................................................................................................... 114
Figura 61 – Comparação das secções entre Bobine de secção quadrada e circular ............... 114
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Figura 62 – Indutor para ligação à câmara de vácuo com bobine de secção quadrada .......... 115
Figura 63 – Posição de Aspiração do tubo relativamente à base do cadinho ......................... 117
Figura 64 – Posicionamento inicial da carapaça relativamente ao cadinho com a carga. ...... 118
Figura 65 – EWB pertencentes a uma máquina de vácuo do INEGI. .................................... 119
Figura 66 - Escudo de protecção do Bellow feito de chapa calandrada ................................. 122
Figura 67 - Figura à esquerda Bellow mais Escudo de protecção no seu interior; Figura à
esquerda Escudo na posição estendida. .................................................................................. 122
Figura 68 - Segunda versão do forno, cadinho frio com vazamento por gravidade ............... 123
Figura 69 - Representação da Câmara onde ocorrerá a fusão e onde se fixa o indutor .......... 125
Figura 70 - Detalhe do labirinto no topo da câmara com saídas perfuradas para escoamento e
refrigeração das paredes laterais da câmara ........................................................................... 125
Figura 71 - Representação do sistema de refrigeração da câmara e todos os seus componentes
................................................................................................................................................ 125
Figura 72 - Vista do Suporte consumível na figura da direita e vista em corte com
representação do cone produzido pelo ângulo dado bem como do rebaixo para colocação na
câmara, figura da esquerda. .................................................................................................... 128
Figura 73 - Modelo consumível e representação parcial da carapaça em estereolitografia ... 128
Figura 74 - Representação dos componentes da câmara superior de baixo ........................... 129
Figura 75 - Vista em corte da Câmara com representação do sistema de refrigeração e dos
suportes para a colocação do sistema de grampos .................................................................. 129
Figura 76 - Vista do interior da Câmara ................................................................................. 129
Figura 77 - Sistema de fechadura na posição aberto (esquerda) e fechado (direita). ............. 130
Figura 78 - Representação de dois tipos de batentes o pequeno para carapaças de 3 andares e o
grande para apenas 1............................................................................................................... 130
Figura 79 - Foto da câmara adaptada ao sistema existente no INEGI .................................... 131
Figura 80 - Câmara Superior de cima com adaptações de refrigeração e suporte para aplicação
do cilindro pneumático. .......................................................................................................... 132
Figura 81 - Montagem do cadinho na tampa para a sua fixação ............................................ 133
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Figura 82 - Sistema de câmaras para o processo de fusão e vazamento por contra-gravidade na
posição aberta. ........................................................................................................................ 133
Figura 83 - Detalhe de todo o sistema de Câmaras, Bellow, cadinho e indutor ..................... 134
Figura 84 - Representação do modelo de cera para a obtenção de carapaças cerâmicas para o
método de contra-gravidade. .................................................................................................. 136
Figura 85 – Moldes usados para a injecção de ceras .............................................................. 138
Figura 86 – Molde com peça injectada (gito central onde se soldam os impulsores) ............ 138
Figura 87 – Componentes que formam o cacho de cera para vazamento por contra-gravidade
................................................................................................................................................ 139
Figura 88 – Modelos de cera soldados por intermédio da cera cola ...................................... 139
Figura 89 – Diagrama de Ellingham, Energia Livre de Formação em função da Temperatura
para alguns Óxidos [73]. ......................................................................................................... 141
Figura 90 - Secagem da carapaça com impulsores e da carapaça tubo gito ........................... 145
Figura 91 - Tubos parcialmente preenchidos com Ítria após descirificação .......................... 145
Figura 92 - Abertura de saídas da cera nas carapaças para a descirificação .......................... 146
Figura 93 - Figura da esquerda apresenta a queda do impulsor devido a defeitos nas ceras;
Figura da direita apresenta a fissuração do topo do gito central devido a menos uma camada
nesta carapaça ......................................................................................................................... 147
Figura 94 – Representação do programa teórico inserido forno de sinterização.................... 148
Figura 95 – Evolução real da temperatura em função do tempo no processo de sinterização
efectuado ................................................................................................................................. 148
Figura 96 - Á esquerda: Forno de Sinterização do INEGI; Á direita: Carapaças no forno antesda sinterização. ....................................................................................................................... 149
Figura 97 - Inclusões de ferro na superfície da carapaça provenientes do corte da carapaça em
verde antes da sinterização. .................................................................................................... 150
Figura 98 - Ligeira descolagem no cone da carapaça com impulsores .................................. 151
Figura 99 - Irregularidades provenientes do modelo de cera ................................................. 151
Figura 100 - Carapaça colada após pré-aquecimento a 1100 °C, com barbotinas e massa decolagem. .................................................................................................................................. 152
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Figura 101 - Carapaça colada com a barbotina desenvolvida de Ítria e Alumina Fumada. ... 153
Figura 102 - Á esquerda: Modelos de cera de carapaça única; Á direita: Fase inicial da
constituição da carapaça cerâmica. ......................................................................................... 154
Figura 103 - STL do cacho de impulsores a analisar com tubo de aspiração, realizado em
CAD 3D .................................................................................................................................. 157
Figura 104 - Janela SOLVER do programa ViewCast/Experto............................................... 158
Figura 105 - Refinamento da malha no ViewCast/Experto, concentrada na zona dos
impulsores e do tubo de aspiração .......................................................................................... 159
Figura 106 - Inicio da Simulação do processo de contra-gravidade com pressões diferenciais
................................................................................................................................................ 161
Figura 107 - Simulação ao final de 1,9234 seg. representando o inicio do enchimento dos
impulsores. .............................................................................................................................. 161
Figura 108 - Simulação ao final de 2,4255 seg. representando metade do enchimento dos
impulsores. .............................................................................................................................. 162
Figura 109 - Detalhe da ponta das pás na simulação ao final de 2,826 seg, numa vista frontal e
lateral dos impulsores. ............................................................................................................ 162
Figura 110 - Simulação ao final de 3,4344 seg. representando o final do enchimento .......... 163
Figura 111 - Simulação ao final de 3,4344 seg. considerando: na figura da esquerda um
gradiente de temperaturas até à temperatura de solidus; na figura da direita um gradiente de
temperaturas até à temperatura de liquidus. ........................................................................... 164
Figura 112 - Á esquerda, maquinagem da Tampa Base; Á direita, gomos cortados à medida da
barra e furados ao comprimento dos canais. .......................................................................... 166
Figura 113 - Máquina de Raio-X da ZCP............................................................................... 167
Figura 114 - Cadinho com gabari e chapas separadoras dos gomos para a brasagem ........... 168
Figura 115 - Teste de vedação da brasagem do cadinho ........................................................ 168
Figura 116 - Tampa adaptada para suporte do cadinho .......................................................... 169
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ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Composições químicas e propriedades mecânicas das ligas de Titânio
convencionais [6]. ..................................................................................................................... 11
Tabela 2 - Comparação das propriedades do Titânio convencional, Aluminetos de Titânio e
Superligas [10]. ......................................................................................................................... 16
Tabela 3 - Composições e Tensões de Cedência de algumas ligas de aluminetos de Titânio à
temperatura ambiente [8]. ......................................................................................................... 25
Tabela 4 - Composição, Mudança de peso, Escala de Espessura, após exposição ao ar a 700
°C por 7000 hr das ligas TiAl. .................................................................................................. 27
Tabela 5 - Composição química de algumas conhecidas superligas de Níquel [17]. ............... 29
Tabela 6 – Quantidades de Metal consumidas no ano de 98 a nível Mundial em toneladas
[19]. .......................................................................................................................................... 30
Tabela 7 - Algumas aplicações das superligas [21]. ................................................................. 31
Tabela 8 - Composição química de superligas Fundidas [22]. ................................................. 35
Tabela 9 - Uso do processo ESR para a fusão de metais nos países desenvolvidos [27]. ........ 40
Tabela 10 - Comparação dos Processos de vazamento para as ligas gama TiAl [41]. ............. 52
Tabela 11 – Estratificação das novas necessidades .................................................................. 84
Tabela 12 - Levantamento dos parâmetros fixos a incluir no novo cadinho. ........................... 91
Tabela 13 – Informação de dimensões e capacidade volúmica do cadinho considerando uma
carga de Ti6Al4V. .................................................................................................................... 96
Tabela 14 – Valores obtidos para o cálculo de 3 Kg de Ti6Al4V ............................................ 97
Tabela 15 – Valores Finais do Cadinho projectado atendendo a todos os parâmetros, pré-
requisitos, do projecto .............................................................................................................. 97
Tabela 16 – Cálculo da altura e variação de comprimento para os dois tipos de cargas de
Ti6Al4V .................................................................................................................................... 98
Tabela 17 - Propriedades Cobre 100 % [70]. ........................................................................... 99
Tabela 18 – Designações e composição do Latão comercial 63 – 37 [71]. ............................ 100
Tabela 19 – Composição usual dos Latões [70]. .................................................................... 100
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Tabela 20 – Propriedades Mecânicas dos Latões [70]. .......................................................... 101
Tabela 21 – Composição química aço Inox 304 [69]. ............................................................ 101
Tabela 22 – Propriedades Aço Inox 304 [69]. ........................................................................ 102
Tabela 23 – Nome e quantidade de Componentes constituintes do cadinho.......................... 104
Tabela 24 – Cálculo da Altura do banho de fusão no cadinho frio ........................................ 118
Tabela 25 - Tabela de Refractariedades das Areias usadas [29] [74]. .................................... 142
Tabela 26 – Camadas e constituintes usados nas carapaças para o Tubo Gito ...................... 143
Tabela 27 – Procedimento usado na produção de carapaças com impulsores ....................... 144
Tabela 28 – Composição Química Ti6Al4V [75] [70]. .......................................................... 156 Tabela 29 – Propriedades da Liga Ti6Al4V [75] [70]............................................................ 156
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Capítulo 1 - Introdução
1.1 Apresentação da Empresa de Acolhimento
O projecto apresentado nesta tese reflecte o trabalho desenvolvido no INEGI, Instituto de
Engenharia Mecânica e Gestão Industrial, na Unidade de Fundição e Novas Tecnologias,
CETECOFF.
O INEGI nasce em 1986 no seio do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial
(DEMEGI) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), apresentando-se
como uma instituição de interface entre a Universidade e a Indústria vocacionada para a
realização de actividade de Inovação e Transferência de Tecnologia orientada para o tecido
industrial. Mantém ainda hoje essa ligação insubstituível ao DEMEGI, que constitui uma das
principais fontes de conhecimento e competências científicas e tecnológicas.
Ao longo dos seus 20 anos de existência desenvolveu e consolidou uma posição de parceiro da
indústria em projectos de I&D, sendo que presentemente cerca de 60% da sua actividade resulta
de projectos com empresas. Com a figura jurídica de Associação Privada sem Fins Lucrativos e
com o estatuto de «Utilidade Pública», assume-se como um agente activo no desenvolvimento do
tecido industrial Português e na transformação do modelo competitivo da indústria nacional.
Como parceiro directo da indústria tem como Missão a contribuição para o aumento da
competitividade da indústria nacional através da investigação e desenvolvimento, demonstração,
transferência de tecnologia e formação nas áreas de concepção e projecto, materiais, produção,
energia, manutenção, gestão industrial e ambiente.
A sua Visão reflecte-se no sentido de ser uma Instituição de referência, a nível nacional, e umelemento relevante do Sistema Cientifico e Tecnológico Europeu, com mérito e excelência na
Inovação de base e Transferência de Conhecimento e Tecnologia.
A sua Politica de Qualidade vem de acordo com a promoção e melhoria contínua do
desempenho da Organização na concretização dos seus objectivos estratégicos e operacionais,
procurando permanentemente elevar o nível de satisfação de todas as partes interessadas, e
assumindo o Sistema de Gestão da Qualidade como um instrumento essencial a esse desiderato.
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O INEGI assume-se como, “MOTOR DE INOVAÇÃO”.
1.2 Apresentação do Projecto COMPINTEGRA e Enquadramento daTese no INEGI
O INEGI está a trabalhar no desenvolvimento de forno de fusão e vazamento de impulsores em
ligas de titânio convencionais e de turbina em aluminetos de titânio e superligas de níquel. Este
trabalho desenvolvido em parceria com a Zollern & Comandita Portugal surge no âmbito do
Projecto COMPINTEGRA de desenvolvimento de um processo integrado de produção de
impulsores em ligas de alumínio, aços e ligas de titânio. O Projecto COMPINTEGRA apresenta-
se como um objectivo estratégico da ZCP.
A contribuição do INEGI neste projecto centra-se no desenvolvimento de novos processos de
fusão e vazamento, optimização de tecnologias existentes e desenvolvimento de moldações
cerâmicas. O intuito deste projecto desenvolvido na unidade CETECOFF (Unidade de Fundição
e Novas Tecnologias) destina-se a desenvolver um novo processo para a produção de impulsores
em titânio.
O produto final a realizar são os impulsores e turbinas para os turbocompressores desenvolvidos
pela Borg Warner que actualmente são feitos em Alumínio e INCONEL respectivamente.
Neste contexto em trabalhos anteriores realizados no INEGI, desenvolveu-se e fabricou-se um
forno de fusão em vácuo/atmosfera controlada para fusão de liga de titânio em cadinho cerâmico
consumíveis e vazamento por gravidade com pressões diferenciais.
Seguidamente, devido ao facto da fusão em cadinho cerâmico de Ítria e ligas de titânio originar
ligas com teor em oxigénio inferiores aos 0,25% admissíveis, desenvolveu-se e fabricou-se umanova câmara de fusão e vazamento com fusão em cadinho de cobre refrigerado e vazamento por
gravidade. Neste processo, resolveu-se o problema da contaminação do metal fundido, que
passou a não existir, mas não se conseguiu garantir as pressões diferenciais, o que apenas
permitiu garantir o enchimento de impulsores com 0,8mm de espessura em lugar de 0,4mm de
espessura que se conseguiram com a 1ª solução.
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Na sequência destes trabalhos resolveu-se desenvolver um novo processo de fusão em cadinho
frio com aspiração sob vácuo para garantir um diferencial de pressões.
1.3 Organização e Temas Abordados na Tese
Esta tese foi desenvolvida com o intuito de se produzir um forno de vazamento de ligas reactivas
usando cadinhos frios. A tecnologia de cadinhos frios para além da complexidade que apresenta
a temática da indução, é também na vertente de construção de um aparato deste género, um
enorme desafio. Uma vez que o INEGI possui já uma unidade de alta frequência decidiu-se então
construir e desenvolver um cadinho frio para esta unidade ficando assim detentores da tecnologia
que se encontra nestes componentes.
O objectivo deste trabalho passa também pelo projecto de novas câmaras de fusão para aplicação
de um novo sistema de aspiração do metal fundido, ou sistema de contra-gravidade.
A validação de todos estes componentes passa ainda pelo desenvolvimento de carapaças
cerâmicas que se adaptem ao novo processo. Desta forma são utilizadas várias outras tecnologias
secundárias como projecto CAD 3D em SolidWorks, prototipagem rápida “Estereolitografia”,fabrico de moldes para ceras e silicones, soldadura TIG e Oxiacetilénica, centros de
maquinagem, simulação do processo de vazamento em software ViewCast/Experto.
Desta forma decidiu-se os objectivos propostos em duas partes distintas:
1ª Parte – Pesquisa Bibliográfica e Estado da Arte
Ligas Reactivas Titânio e Ligas de Titânio Convencionais / Aluminetos de
Titânio /Superligas
Fornos, Vazamento por Contra-gravidade e Processos de Fusão e
Vazamento de Ligas Reactivas
Princípio da Indução
Fabricantes de Fornos e Produtores de Ligas Reactivas
2ª Parte – Trabalho Prático
Desenvolvimento do Conceito de Cadinhos Frios
Projecto CAD 3D do Cadinho Frio
Projecto CAD 3D das Câmaras para o Processo de Contra-gravidade
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Validação do Projecto Através do Fabrico de Carapaças Cerâmicas
Simulação do Processo de Vazamento em Contra-Gravidade
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1ª Parte - Levantamento Bibliográfico
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Capítulo 2 – Ligas Reactivas
2.1 História do Titânio
O Titânio está presente na crosta terrestre com uma percentagem de aproximadamente 0,6% e é
por isso o quarto metal estrutural mais abundante logo após o Alumínio, o Ferro e o Magnésio.As fontes minerais mais importantes para a sua obtenção são a Ilmenita ou Ilmenite (FeTiO3) e o
Rutilo (TiO2).
A primeira suspeita deste novo e desconhecido elemento, encontrou-se na escura areia magnética
Ilmenite, deu-se em 1971 por Gregor no Reino Unido, um homem do clérigo e amante da
mineralogia. Mais tarde em 1975, Klaproth, químico alemão, analisou Rutilo proveniente da
Hungria, e identificou um óxido do elemento já identificado por Gregor . Klaproth baptizou o
elemento de “Titânio” fazendo referência aos “Titãs”, os poderosos filhos da Terra na mitologiaGrega.
Várias tentativas posteriormente foram feitas para isolar o metal do Titânio usando Tetracloreto
de Titânio (TiCl4) como um passo intermédio. A produção de Titânio altamente puro e dúctil
provou ser difícil, devido a grande tendência que este metal tem para reagir com o oxigénio e o
azoto. Demonstrações recentes da redução de TiCl4 usando quer Sódio (Na) ou Magnésio (Mg)
produziam pequenas quantidades de titânio frágil. Só durante o século 20 (1937-1940) que um
processo comercialmente atractivo viria a ser concebido por Kroll, no Luxemburgo. Esteprocesso envolvia a redução de tetracloreto de titânio com magnésio numa atmosfera de gás
inerte. O titânio resultante é chamado de “esponja de titânio” devido à sua porosidade e
aparência esponjosa. O processo desenvolvido por Kroll permanece inalterado e é ainda hoje o
processo dominante na produção de titânio [1].
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Figura 1 - A Ilmenita ou Ilmenite é o óxido natural de ferro e titânio (FeTiO 3) [2].
2.1.1 Aplicações de Titânio e suas ligas
O Titânio e as suas ligas são usados na indústria aeroespacial, química, engenharia e aplicações
biomédicas uma vez que apresenta uma impressionante gama de propriedades mecânicas. A sua
inigualável relação resistência/peso e resistência à fadiga levou à introdução do titânio nas
aplicações aeroespaciais como partes dos motores dos foguetões, tanques de combustível, botijasde gás, etc. É também usado em estruturas tais como os suportes dos trens de aterragem,
tubagem hidráulica, nas caixas das asas, parafusos de fixação, etc. As ligas de titânio são usadas
nos turbo-reactores, uma vez que a elevada resistência do titânio combinado com a sua
estabilidade metalúrgica a elevadas temperaturas e baixo coeficiente de atrito fazem dele um
material adequado para pás dos motores a jacto e para os discos das secções inferiores e
intermédias dos compressores.
A extraordinária resistência à corrosão nos mais variados ambientes é a principal razão da suautilização na indústria. Para aplicações com baixas solicitações mecânicas, é geralmente
utilizado o titânio comercialmente puro (CP), ao passo que para elevadas solicitações mecânicas
são usadas ligas como Ti-6AL-4V ou Ti-13Nb-13Zr. No sector da indústria petroquímica, o uso
de titânio CP ou ligado com Ta ou Pd, são frequentes pela excelente resistência à corrosão. A
aplicação de ligas de titânio quer em alto mar quer em zonas costeiras é prática corrente pela sua
resistência à água salgada e em atmosferas ácidas de hidrocarbono.
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O titânio puro, assim como as maiorias das ligas de titânio, cristalizam a baixas temperaturas
numa estrutura ideal Hexagonal compacta (HC), também chamada de fase α. A temperaturas
elevadas, a estrutura cristalina modifica-se para uma estrutura estável Cúbica de Corpo Centrado
(CCC) a qual tem o nome de fase β. A temperatura para a qual o Titânio puro assume a fase β
ocorre a 882±2 °C.
A existência destas duas estruturas cristalinas e a correspondente temperatura de transformação
alotrópica, surge como sendo da maior importância uma vez que se trata da base para a obtenção
das diversas propriedades pelas quais o titânio é conhecido.
A deformação plástica está intrinsecamente relacionada com a respectiva estrutura cristalina,
além disso a estrutura HC causa um distinto comportamento anisotrópico para a fase α do titânio.
A anisotropia elástica é portanto também particularmente pronunciada, no qual o módulo de
Young dos cristais de titânio varia entre 145 GPa para uma solicitação a um carregamento
vertical na Base, e apenas de 100 GPa no plano paralelo a este [5].
2.1.4 Classificação das Ligas de Titânio
Dentro das ligas de titânio podemos fazer a divisão entre ligas de Titânio Convencionais e os
recentes compostos intermetálicos, os Aluminetos de Titânio. Os aluminetos de titânio
distinguem-se no entanto pela sua extraordinária capacidade de operarem em condições de
exigência de elevada temperatura, e apresentam também a já conhecida baixa densidade das ligas
convencionais e pelas quais estas são tão requisitadas.
2.1.5 Ligas Titânio Convencionais
Dependendo da sua influência na transição β, os elementos de liga do titânio são classificados
como neutros, estabilizadores α, ou estabilizadores β. Os estabilizadores α estendem a fase α até
temperaturas elevadas, enquanto os estabilizadores β mudam o campo para temperaturas mais
baixas. Elementos neutros têm apenas uma pequena influencia na temperatura de transição β.
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Além dos elementos de liga regulares existem também elementos não metálicos, principalmente,
da ordem dos 100 ppm presentes como impurezas.
De entre os estabilizadores, o alumínio é de longe o elemento de liga mais importante do titânio.
Os elementos intersticiais como o oxigénio, nitrogénio, e o carbono também se encontram nesta
categoria. Para além de estenderem o campo da fase α para temperaturas mais altas estes
promovem o desenvolvimento do campo de duas fases α+β. Os estabilizadores α estão
subdivididos em elementos isomórficos β e eutéticos β. Destes elementos os isomórficos β tais
como Mo, V, e Ta, são os mais importantes devido a sua elevada solubilidade no titânio. Por
outro lado pequenas fracções volúmicas de elementos eutéticos β como, Fe, Mn, Cr, Co, Ni, Cu,
Si e H, podem levar a formação de compostos intermetálicos. Sn e Zr são consideradoselementos neutros uma vez que não detêm quase nenhuma influência na fronteira de fase α / β.
Normalmente as ligas de titânio são classificadas como ligas α, α+β e β, com posteriores
subdivisões em quase α e ligas β metaestavéis.
Na Tabela 1 podemos observar as principais propriedades mecânicas das diversas variedades de
ligas de Titânio convencionais [5].
Tabela 1 - Composições químicas e propriedades mecânicas das ligas de Titânio
convencionais [6].
Saliente-se a elevada relação resistência / peso particularmente para a liga β com uma resistência
à tracção de 1276 Mpa e uma densidade de aproximadamente 4,5. A observação da Tabela 1
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reflecte as enormes vantagens que apresentam as ligas de Titânio convencionais e o motivo pelas
quais são tão amplamente requisitadas e conhecidas em todo o mundo.
2.1.6 Diagrama Ti-Al
O mais importante e mais investigado diagrama de fase do Titânio é o sistema Ti-Al ( Figura 2) .
Aparte das fases α e β que são de importância central para as ligas convencionais de titânio,
várias fases intermetálicas são apresentadas, tais como as α2-Ti3Al, γ-TiAL, TiAl2 e TiAl3.
Dentro destes apenas as ligas α2-Ti3Al e γ-TiAL são de relevância Técnica nos dias de hoje, uma
vez que o TiAl2 e o composto estequiométrico TiAl3 são extremamente frágeis. As ligas de
aluminetos de Titânio são de elevado interesse técnico e podem ser encontrados em duas fases
α+α2 e γ-TiAL. Se estes aluminetos forem ligados com Nb, uma outra fase intermetálica
interessante aparece Ti2AlNb, que é a base da classe de titânios utilizados em ortodontia. Uma
outra fase intermetálica com alguma relevância técnica é a fase τ, que pertence a família cúbica
L12. Esta fase está presente quando elementos como V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu ou Zn,
substituem por volta de 10% do alumínio em compostos de alto teor em Al as ligas de base TiAl3
[5].
Figura 2 - Diagrama de fase Ti-Al [7].
De acordo com a base de dados termodinâmica SSOL2, a secção rica em titânio do sistema de
ligas binárias Ti-Al tem duas reacções peritéticas, uma eutectóide e duas congruentes.
As duas reacções peritéticas são:
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• β + liquidus —> α a 1503 °C e 32.4 wt % Al (46.0 at % Al);
• α + liquidus —> γ a 1443 °C e 40.0 wt % Al (54.2 at % Al).
A reacção eutectóide é:
• α —> γ + Ti3Al ocorre a 1111 °C e 27.6 wt % Al (40.4 at. % Al).
E por fim as duas reacções congruentes são:
• liquidus —> β at 1715 °C e aproximadamente 12.3 wt % Al (20.0 at % Al);
• α —> Ti3Al a 1179 °C a aproximadamente 21.0 wt. % Al (32.0 at. % Al) [7].
2.2 Aluminetos de Titânio
Os aluminetos de Titânio oferecem uma atractiva combinação entre a baixa densidade e a óptima
resistência tanto à oxidação como à combustão. Para tal envolvem elevada resistência e rigidez
elástica combinado com uma óptima retenção da temperatura. Assim sendo são uma das poucas
classes de materiais emergentes que têm potencial para serem usados na constante procura de
aplicações estruturais de elevada temperatura quando a maior preocupação de solicitação domaterial são a resistência e a rigidez. Contudo de maneira a substituírem efectivamente as mais
pesadas superligas de níquel os aluminetos de Titânio devem possuir várias propriedades
mecânicas, as quais incluem Resistência, Ductilidade, Rigidez, Resistência à Fadiga e
Resistência à Fluência [8].
Esta nova classe de ligas baseia-se em compostos intermetálicos que se exibem no diagrama de
equilíbrio Ti-Al (Figura 2). A principal característica destas ligas é a sua excelente resistência a
altas temperaturas aliadas a uma baixa densidade, pelo que podem ser entendidas como dos
principais candidatos à substituição de algumas superligas de Níquel, como se pode observar na
Figura 3.
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Figura 3 - Dependência da Temperatura em função da Resistência Mecânica para as várias
ligas [9].
Com as limitações de temperaturas na utilização das ligas convencionais de titânio, a utilização
de superligas é requerida nas zonas de elevada temperaturas de serviço por exemplo em turbinas
e outros componentes da indústria aeroespacial (Figura 4) . Na zona de LPT, low Presure
Turbine, à medida que a propulsão do motor aumenta, as pás da turbina tendem a aumentar,
fazendo com que o disco que as sujeita e o eixo que roda solidário com o disco a tornarem-se
mais pesados. A substituição das superligas convencionais à base de níquel por Aluminetos de
titânio melhora este problema de incremento de peso do motor.
Figura 4 - Representação dos materiais num motor de avião em função da temperatura
[10].
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Por razões como esta, intensiva pesquisa e desenvolvimento tem vindo a ser feito no sentido de
responder as novas perguntas: poderão ser feitas ligas dúcteis de elementos intermetálicos de
aluminetos de Titânio que possam competir com as superligas de níquel?[4]
Um caso prático das aplicações dos aluminetos de titânio para a produção de peças utilizando
métodos convencionais de fundição, como o Investment Casting é o caso das turbinas de baixa
pressão (LPT) e os compressores de baixa pressão (HPC) dos motores de aviões (Figura 5) [11].
Figura 5 - Representação dum Turbo Reactor da Rolls-Royce usado na aviação [12].
2.2.1 Propriedades dos Aluminetos de Titânio
Novas classes de materiais de compostos intermetálicos à base de aluminetos de titânio têm
vindo a ser desenvolvidos. Inicialmente existiam dois grandes candidatos para compostos
intermetálicos à base de aluminetos: α2 (Ti3Al) e γ (TiAl). Estes foram rapidamente seguidos por
um terceiro o Ti2AlNb composto intermetálico de estrutura ortorrombica. Estes materiais têm
essencialmente a mesma densidade do titânio, mas podem ser solicitados a temperaturas
superiores, possuem também maior temperatura de fusão e maior modulo com o aumento datemperatura [4].
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Tabela 2 - Comparação das propriedades do Titânio convencional, Aluminetos de Titânio
e Superligas [10].
Os aluminetos são caracterizados pela tendência que têm em formar TiO2 em vez de formar
Al2O3 elementos estes que caracterizam a maioria das superligas resistentes à oxidação.
Consequentemente os aluminetos possuem uma excelente resistência à oxidação intersticial a
baixa temperatura mas existe uma tendência para formar carepas de óxidos nestas ligas a
temperaturas acima dos 871 °C que provoca fissuração no arrefecimento do material. A chave
para a extensão da temperatura máxima de utilização dos Aluminetos de titânio é aumentar a
resistência à oxidação mantendo o nível adequado de fluência e de resistência a temperaturas
elevadas. A temperatura potencial de serviço destas ligas rondará a gama dos 600 até aos 760 °C.
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A classe das ligas γ dos aluminetos oferece maior resistência à oxidação do que as ligas α2.
Apesar das tentativas de desenvolver um aumento da resistência à oxidação das ligas γ, o maior
beneficio dos aluminetos de titânio de todos os tipos reside na formação de um revestimento
adequado. Três abordagens às ligas para revestimentos dos aluminetos de titânio foram tomadas:
Aluminização, sobreposição de camadas de metal-crómio-aluminio-ítria e silicatos/cerâmicos.
As duas primeiras abordagens são adaptações da tecnologia de revestimento desenvolvida para
as superligas enquanto que a ultima é uma adaptação da tecnologia para ligas de metal
refractário. A protecção dos aluminetos de titânio debaixo de condições oxidantes conseguiu-se
para cada um dos três casos, contudo, o tempo de vida do material revestido sujeito à fadiga è
frequentemente inferior à do material não revestido.
Figura 6 - Tensão em função da temperatura das ligas ortorrombicas e alfa-2 com a
superliga de níquel Inconel 718 [4].
Para um aproveitamento das propriedades mecânicas dos aluminetos de titânio α2 e γ, é
necessário uma optimização da sua composição e é necessário manter um controlo damicroestrutura. As ligas obtidas por fundição necessitaram de tratamentos térmicos para um
reajuste microestrutural até à composição desejada [4].
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2.2.2 Composição Química dos Aluminetos de Titânio
As ligas α2 contêm tipicamente 23 a 25 % de Al e 11 a 18 de Nb. Outros elementos presentes
podem ir dos 3 % de V até aproximadamente 1% de Mo. As ligas gama contêm 48 a 54 % de Al
e de 1 até 10 % dos seguintes elementos: Vanádio, Cloro, Magnésio, Nióbio, Tântalo,
Tungsténio ou Molibdénio. Os ortorrombicos tipicamente contêm 21 a 25 % de Al e 25 a 30 de
Nb [4].
Os aluminetos têm baixa ductilidade à temperatura ambiente, mas a temperaturas elevadas
apresentam uma ductilidade geralmente satisfatória. Para o processamento, instalação e serviço,
e ainda recuperação, a baixa ductilidade à temperatura ambiente pode apresentar-se como um
problema.
A adição de terceiros elementos como o Crómio, Magnésio, Nióbio, Vanádio, Molibdénio,
silício, Boro, e Carbono, não só alteram a estabilidade e o caminho de transformação mas
também levam a geração de novas fases. A adição de Nióbio em quantidades superiores a 18%
leva a formação de Ti2AlNb ortorrombica designada de fase O. Significantes desenvolvimentos
têm vindo a decorrer entorno das fases α2(Ti3Al), Ti2AlNb e γ(TiAl), contudo particular atenção
tem vindo a ser dada a liga γ(TiAl) pois parece ser a mais promissora no campo de aplicações de
engenharia [8].
2.2.2.1 Liga α2(Ti3Al) e Liga O (Ti2AlNb), Ortorrómbica
Agregados policristalinos de α2(Ti3Al) sofrem de baixa ductilidade e tenacidade à temperatura
ambiente ( Banerjee e tal. 1993).
Para superar estes problemas adiciona-se geralmente Nióbio ao Ti3Al em grandes quantidades.Estudos da evolução das fases ( Banerjee et al. 1993, Gogia et al. 1998 ) mostram que estas ligas
podem conter várias fases dependendo da quantidade de Nióbio e dos tratamentos térmicos como
é o caso da fase α2(Ti3Al), a fase β desordenada, a sua ordenada contra parte B2, e as fases O a
base de Ti2AlNb.
Aparentemente a presença da fase β é essencial para conferir ductilidade e tenacidade a este
sistema.
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C.
Geralmente a redução no teor em alumínio tende a aumentar o nível de resistência, contudoreduz também a ductilidade e a resistência à oxidação. A adição de crómio, manganês e vanádio
até níveis de 2% para cada elemento demonstraram que melhoram a ductilidade. O papel de
vários outros terceiros elementos é de melhoramento de outras propriedades desejáveis como a
resistência à oxidação, elementos como Nióbio e o Tântalo, e a Tensão de Deformação,
elementos como o Tungsténio, Molibdénio, Silício e o Carbono, ou ainda para obter refinamento
do grão, para tal usasse o Boro.
2.2.3 Estrutura Cristalina dos Aluminetos de Titânio
Como podemos ver na Figura 2 , no estado sólido a liga de titânio está arranjada numa estrutura
HC (alfa) ou CCC (beta). O titânio puro sofre uma transformação alotrópica de hexagonal
compacta α para cúbica de corpo centrado β à medida que a temperatura se eleva dos 882 °C. O
ponto de fusão do titânio puro encontra-se nos 1668 °C
O alumínio é o elemento de liga mais usado nas ligas de titânio. É o único metal comum que
permite a elevação da temperatura β de transição é tem elevada solubilidade tanto nas fases α como β.
Além das fases α e β, a presença da fase Ti3Al (também conhecida como α2) e a fase TiAl (γ), as
fases intermetálicas nos sistemas binários de titânio alumínio são igualmente dignas de atenção.
Ambas as fases são de extrema importância técnica (e.g., ligas de titânio – alumínio que são
especialmente importantes para aplicações de elevada temperatura).
A liga Ti3Al possui uma estrutura ordenada DO19 baseada na estrutura HC da fase α. Uma célula
unitária da estrutura é DO19 composta por quatro células HC suportadas por ligações covalentesconectando os átomos de titânio e alumínio.
Note-se que como o campo α + Ti3Al estreita como o aumento de temperatura, passando de um
máximo a 1179 °C e aproximadamente 21 wt % de Al (32.0 at. % Al), terminando num ponto
trifásico de equilíbrio com TiAl.
Já a liga TiAl é uma estrutura ordenada cúbica de faces centradas L10 cuja homogeneidade varia
em gamas de aproximadamente 48 at % AL (34,2 wt. % Al) para 68 at. % Al (54,5 wt. % Al) [7].
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Em resumo no sistema TiAl distinguem-se quatro compostos intermetálicos apresentando
estruturas cristalinas diferentes:
• Ti3Al – Apresenta uma estrutura hexagonal compacta ordenada, constituindo uma fase
designada por α2 com parâmetros de rede a = 0,578 nm e c = 0,463 nm, estável, a 500 °C,
para teores de alumínio entre 20 e 36 % at.
• TiAl – Apresenta uma estrutura tetragonal ordenada, constituindo uma fase γ, com
parâmetros de rede a = 0,400 nm e c = 0,407nm, estável, a 500 °C, para teores de
alumínio entre cerca de 50,5% e 57,5% at.
• TiAl2 – Apresenta uma estrutura tetragonal, com parâmetros de rede a = 3,976 nm e c =
24,36 nm com estequiometria TiAl2.
• TiAl3 – Apresenta uma estrutura tetragonal ordenada, com parâmetros de rede a = 0,385
nm e c = 0,861 nm, sendo a estequiometria TiAl3, embora exista um pequeno intervalo de
solubilidade [13].
2.2.4 Microestruturas dos Aluminetos
As ligas à base de γ(TiAl) estão disponíveis em todas as formas convencionais de produtos:
lingotes, forjadas, extrudidas e em folha. Tanto a solidificação peritética como a reacção
eutectóide estão presentes na liga de γ de composição Ti-(45-49)Al. Estas reacções dão origem a
uma inevitável microsegregação, que dificulta a homogeneização. Melhorias significantes de
homogeneidade química e refinamento da microestrutura podem ser alcançados por trabalho aquente do material, como forjamento isotérmico ou extrusão. No que diz respeito à metalurgia de
pós, é considerada uma via para a produção de microestruturas mais finas e homogéneas do que
aquele que é obtido via a metalurgia de lingotes. Contudo uma serie de problemas técnicos
existem na porosidade de pós compactados, que aparentemente surge da absorção do gás de
processamento.
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Quando se produzem lingotes de composição Ti-(45-49)Al pelo método tradicional de
metalurgia de lingotes debaixo de um relativo arrefecimento, forma-se uma morfologia lamelar
que consiste em colónias de finas e paralelas plaquetas de α2(Ti3Al) e γ(TiAl) [8].
Figura 7 - Exemplo de microestruturas da liga Ti-47Al-3.7(Nb, Cr, Mn, Si)-0,5B obtidas
após diferentes tratamentos térmicos: a) Microestrutura quase γ; b) Microestrutura
Duplex; c) Microestrutura completamente lamelar [8].
2.2.5 Resistência e Ductilidade do TiAl
Extensivas investigações experimentais têm demonstrado que a microestrutura exerce um
significativo efeito no comportamento mecânico dos aluminetos de titânio. Ligas com uma
microestrutura completamente lamelar apresentam maior resistência para solicitações a elevada
temperatura mas sofrem de baixa ductilidade à temperatura ambiente. Microestruturas duplex
que consistem em grãos γ equiaxiais e colónias lamelares são favorecedoras de ductilidade mas
exibem baixa resistência a elevada temperatura. O modelo microestrutural é portanto um
problema de modo a alcançar um bom equilibrio das propriedades mecânicas.
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Contudo os aluminetos de titânio estão a ser considerados para substituir as mais densas
superligas de níquel em determinados intervalos de temperaturas e solicitação. Assim, as suas
propriedades mecânicas têm de ser avaliadas segundo rigorosas normas impostas pelas
superligas. Neste campo a maioria dos aluminetos é inferior, particularmente na resistência a
elevadas temperaturas, acima dos 750 °C. Numa tentativa de melhorar a capacidade a alta
temperatura dos aluminetos de titânio significativos esforços foram feitos de forma a estabelecer
uma solução sólida ou mecanismos de endurecimento por precipitação. Contudo os efeitos dos
elementos terciários e quaternários não são sempre limpos podendo levar a alterações do
equilíbrio de fase e da microestrutura. O endurecimento por solução sólida devido ao vanádio,
crómio, magnésio, molibdénio, tântalo e nióbio foram claramente reconhecidos quandoadicionado 0.6-1% destes elementos aos cristais binários polisinteticament