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Desenvolvimento de um Forno para Fusão em Cadinho Frio e Vazamento em Contra-Gravidade

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Aos Meus Pais e Irmãos

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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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xxiii

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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xxiv

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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1

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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2

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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3

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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8

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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15

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

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