Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Introdução ao Ti-6Al-4V ELI (Grau 23)
Ti-6Al-4V ELI (Grau 23) é a versão Extra-Low Interstitial (ELI) da amplamente utilizada liga Ti-6Al-4V, oferecendo maior ductilidade, tenacidade à fratura superior e excelente biocompatibilidade. Essas características a tornam ideal para implantes médicos críticos, fixadores aeroespaciais e componentes criogênicos que exigem pureza excepcional e alta resistência à fadiga.
O Grau 23 é melhor fabricado por meio de usinagem de precisão com serviços de usinagem CNC como uma liga de titânio de alto desempenho. Peças de titânio usinadas por CNC em Ti-6Al-4V ELI são amplamente usadas em aplicações de alto risco, como implantes cirúrgicos, suportes de motor e ferragens para águas profundas, onde a integridade do material é inegociável.
Propriedades Químicas, Físicas e Mecânicas do Ti-6Al-4V ELI (Grau 23)
Composição Química (Típica)
Elemento | Faixa de Composição (peso %) | Função Principal |
|---|---|---|
Titânio (Ti) | Balanceamento | Elemento base com resistência à corrosão |
Alumínio (Al) | 5.5–6.5 | Estabilizador alfa, melhora resistência e desempenho térmico |
Vanádio (V) | 3.5–4.5 | Estabilizador beta, aumenta resistência e ductilidade |
Oxigênio (O) | ≤0.13 | Teor reduzido melhora ductilidade e tenacidade à fratura |
Ferro (Fe) | ≤0.25 | Elemento residual |
Carbono (C) | ≤0.08 | Controlado para manter a soldabilidade |
Nitrogênio (N) | ≤0.05 | Reduzido para minimizar fragilização |
Hidrogênio (H) | ≤0.0125 | Extra-baixo para biocompatibilidade e controle de corrosão |
Propriedades Físicas
Propriedade | Valor (Típico) | Norma/Condição de Ensaio |
|---|---|---|
Densidade | 4.43 g/cm³ | ASTM B311 |
Faixa de Fusão | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
Condutividade Térmica | 6.7 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividade Elétrica | 1.65 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansão Térmica | 8.8 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacidade Calorífica Específica | 560 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo de Elasticidade | 114 GPa | ASTM E111 |
Propriedades Mecânicas (Condição Recozida)
Propriedade | Valor (Típico) | Norma de Ensaio |
|---|---|---|
Resistência à Tração | 825–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite de Escoamento (0.2%) | 795–860 MPa | ASTM E8/E8M |
Alongamento | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 280–320 HB | ASTM E10 |
Tenacidade à Fratura | >75 MPa√m | ASTM E399 |
Resistência à Fadiga | Excelente | ASTM E466 |
Principais Características do Ti-6Al-4V ELI (Grau 23)
Alta Biocompatibilidade: Baixos níveis de oxigênio e hidrogênio tornam o Grau 23 adequado para implantes médicos com rigorosa conformidade às normas ISO 10993 e ASTM F136.
Excelente Tenacidade à Fratura: A tenacidade aprimorada em temperaturas criogênicas e sob cargas dinâmicas garante confiabilidade em aplicações aeroespaciais e cirúrgicas críticas.
Resistência à Corrosão e Oxidação: Apresenta resistência a cloretos, salinidade e fluidos corporais, com formação estável de camada de óxido.
Soldabilidade e Usinabilidade: Pode ser soldado com proteção inerte; usinável com tolerâncias apertadas usando ferramental e refrigeração adequados.
Desafios e Soluções de Usinagem CNC para Titânio Grau 23
Desafios de Usinagem
Geração de Calor e Baixa Condutividade: Assim como outras ligas de titânio, o Ti-6Al-4V ELI acumula calor na zona de corte, acelerando o desgaste da ferramenta.
Recuperação Elástica: Com módulo de 114 GPa, o retorno elástico no acabamento pode afetar a precisão dimensional em seções finas.
Gripagem e Desgaste por Entalhe: Pode ocorrer gripagem no gume de corte durante usinagem a seco ou com refrigeração insuficiente.
Exigências de Acabamento Superficial: Peças médicas e aeroespaciais frequentemente exigem Ra < 0,4 µm, demandando corte otimizado e pós-processos.
Estratégias Otimizadas de Usinagem
Seleção de Ferramentas
Parâmetro | Recomendação | Justificativa |
|---|---|---|
Material da Ferramenta | Metal duro de grão fino ou metal duro revestido | Garante retenção de aresta e resistência térmica |
Revestimento | AlTiN ou TiCN (≥3 µm) | Reduz aderência e oxidação da ferramenta |
Geometria | Aresta afiada, saída positiva | Minimiza forças de corte e acúmulo de calor |
Velocidade de Corte | 20–45 m/min | Controla o estresse térmico |
Avanço | 0.10–0.20 mm/volta | Garante formação estável de cavacos |
Refrigerante | Emulsão à base de água ≥100 bar | Melhora o resfriamento e a integridade superficial |
Parâmetros de Corte do Ti-6Al-4V ELI (Grau 23) (Conformidade ISO 3685)
Operação | Velocidade (m/min) | Avanço (mm/volta) | Profundidade de Corte (mm) | Pressão do Refrigerante (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (através da ferramenta) |
Acabamento | 40–50 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Tratamento de Superfície para Peças de Titânio Grau 23
Prensagem Isostática a Quente (HIP) melhora a resistência à fadiga e elimina porosidade interna, essencial para aplicações biomédicas e componentes de voo.
Tratamento Térmico inclui alívio de tensões e envelhecimento a ~700°C para melhorar a consistência mecânica e a estabilidade dimensional.
Soldagem de Superligas garante juntas de alta integridade para instrumentos cirúrgicos ou carcaças aeroespaciais com proteção por gás inerte.
Revestimento de Barreira Térmica (TBC) oferece proteção em turbinas e suportes de motor onde o ciclo térmico é severo.
Usinagem CNC permite tolerâncias de ±0,01 mm para implantes e conexões de motor que exigem precisão dimensional.
Usinagem por Descarga Elétrica (EDM) cria microcaracterísticas complexas sem induzir tensões mecânicas.
Furação Profunda permite furos de precisão com Ra ≤1,6 µm e L/D > 30:1 em implantes ortopédicos ou atuadores aeroespaciais.
Ensaios de Materiais incluem ensaio de tração, avaliação microestrutural e inspeção por ultrassom conforme ASTM F136 e AMS 4930.
Ensaios e Análise de Materiais
O Grau 23 passa por validação rigorosa, incluindo ensaios de tração, avaliação de tenacidade à fratura, inspeção por SEM, testes de corrosão e detecção de descontinuidades por ultrassom para atender aos padrões de certificação aeroespacial e médica.
Aplicações Industriais do Ti-6Al-4V ELI (Grau 23)
Dispositivos Médicos: Implantes cirúrgicos, parafusos ósseos e estruturas dentárias que exigem alta fadiga e biocompatibilidade.
Aeroespacial: Suportes de motores a jato, fixadores estruturais e sistemas criogênicos de combustível.
Geração de Energia: Componentes resistentes à corrosão e alta pressão em turbinas e tubulações.
Equipamentos Industriais: Componentes para sistemas de sala limpa, reatores químicos e ambientes marinhos.
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