Ti-6Al-4V (TC4)
Introdução ao Ti-6Al-4V (TC4)
Ti-6Al-4V, também conhecido como TC4 ou Titânio Grau 5, é uma liga de titânio alfa-beta reforçada com 6% de alumínio e 4% de vanádio. É a liga de titânio mais utilizada devido à sua excelente combinação de resistência, resistência à corrosão e estabilidade térmica. Reconhecida por sua alta relação resistência/peso, a TC4 é amplamente aplicada nas indústrias aeroespacial, defesa, automobilismo e médica.
Suas características de alto desempenho fazem da TC4 um material de referência para componentes críticos produzidos por meio de serviços de usinagem CNC. Graças ao equilíbrio de propriedades mecânicas e térmicas, peças de titânio usinadas em CNC fabricadas em TC4 entregam desempenho consistente e confiável em condições extremas de operação.
Propriedades Químicas, Físicas e Mecânicas do Ti-6Al-4V (TC4)
Composição Química (Típica)
Elemento | Faixa de Composição (em massa, %) | Função Principal |
|---|---|---|
Titânio (Ti) | Balanço (~90) | Matriz base com resistência à corrosão |
Alumínio (Al) | 5,5–6,75 | Estabilizador alfa, aumenta a resistência |
Vanádio (V) | 3,5–4,5 | Estabilizador beta, melhora tenacidade e temperabilidade |
Ferro (Fe) | ≤0,40 | Residual, afeta a resistência |
Oxigênio (O) | ≤0,20 | Eleva a resistência, influencia a ductilidade |
Carbono (C) | ≤0,08 | Refina grão, melhora resistência ao desgaste |
Nitrogênio (N) | ≤0,05 | Elemento residual, aumenta a dureza |
Hidrogênio (H) | ≤0,015 | Deve ser controlado para evitar fragilização |
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 | 1,71 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansão Térmica | 8,6 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacidade Térmica Específica | 560 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo de Elasticidade | 113,8 GPa | ASTM E111 |
Propriedades Mecânicas (Condição Recozida)
Propriedade | Valor (Típico) | Norma de Ensaio |
|---|---|---|
Resistência à Tração | 895–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite de Escoamento (0,2%) | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Alongamento | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 330–360 HB | ASTM E10 |
Resistência à Fluência | Alta | ASTM E139 |
Resistência à Fadiga | Excelente | ASTM E466 |
Principais Características do Ti-6Al-4V (TC4)
Alta Relação Resistência/Peso: A TC4 atinge até 960 MPa de resistência à tração com densidade de apenas 4,43 g/cm³, sendo ideal para estruturas aeroespaciais, fixadores e componentes de alto desempenho.
Excelente Resistência à Corrosão e à Oxidação: Uma camada passiva de óxido de titânio garante resistência em ambientes cloretados, marítimos e levemente ácidos, com desempenho estável até cerca de 400°C em ar.
Estabilidade Térmica e Resistência à Fluência: A TC4 mantém integridade mecânica em temperaturas elevadas (até ~400°C em serviço contínuo), adequada para componentes de motores a jato e sistemas de exaustão.
Soldabilidade e Biocompatibilidade: A liga suporta soldagem TIG/MIG e é não tóxica, sendo uma escolha de topo tanto para estruturas aeroespaciais quanto para dispositivos médicos implantáveis de longo prazo.
Desafios e Soluções de Usinagem CNC para Ti-6Al-4V (TC4)
Desafios de Usinagem
Condutividade Térmica Extremamente Baixa: Com apenas 6,7 W/m·K, o calor se concentra na aresta de corte, acelerando o desgaste da ferramenta e gerando instabilidade dimensional.
Encruamento Severo: A TC4 forma rapidamente uma camada endurecida sob a trajetória da ferramenta quando a carga de cavaco é insuficiente, exigindo engajamento contínuo e espessura de cavaco consistente.
Alto Desgaste de Ferramenta: Fases intermetálicas abrasivas e formação de óxidos causam lascamento da aresta e desgaste de cratera, especialmente em condições secas ou com refrigeração insuficiente.
Retorno Elástico por Módulo de Elasticidade: Com módulo de 113,8 GPa, a deflexão e a recuperação elástica dificultam operações de tolerância apertada, sobretudo em geometrias de parede fina.
Estratégias de Usinagem Otimizadas
Seleção de Ferramentas
Parâmetro | Recomendação | Justificativa |
|---|---|---|
Material da Ferramenta | Metal duro revestido ou pastilhas cerâmicas | Suporta altas temperaturas e desgaste abrasivo |
Revestimento | AlTiN ou TiSiN (PVD, 3–5 µm) | Eleva a resistência térmica e minimiza aresta postiça (BUE) |
Geometria | Aresta afiada, ângulo de saída positivo | Reduz força de corte e entrada de calor |
Velocidade de Corte | 30–70 m/min (desbaste), 50–100 m/min (acabamento) | Reduz encruamento e mantém vida útil da ferramenta |
Taxa de Avanço | 0,05–0,25 mm/volta | Mantém espessura de cavaco para evitar “glazing” |
Fluido de Corte | Fluido emulsionado a 100–150 bar | Garante evacuação de cavacos e controle térmico |
Parâmetros de Corte do Ti-6Al-4V (TC4) (Conformidade ISO 3685)
Operação | Velocidade (m/min) | Avanço (mm/volta) | Profundidade de Corte (mm) | Pressão do Fluido de Corte (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 20–30 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 70–100 (Através da ferramenta) |
Acabamento | 50–80 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Tratamento de Superfície para Peças de Ti-6Al-4V (TC4)
Prensagem Isostática a Quente (HIP) melhora a vida em fadiga ao eliminar porosidade interna, sendo crítica para vasos de pressão e carcaças aeroespaciais.
Tratamento Térmico permite envelhecimento e recozimento entre 700–850°C para otimizar resistência à tração e alívio de tensões em peças de alta carga.
Soldagem de Superligas fornece juntas sem defeitos para conjuntos aeroespaciais em TC4, com arame de adição (Ti-6Al-4V) compatível com a composição do material base.
Revestimento de Barreira Térmica (TBC) com camadas cerâmicas de YSZ melhora a proteção contra oxidação em componentes de motor ou exaustão operando acima de 600°C.
Usinagem CNC garante geometrias precisas com tolerância dimensional <±0,01 mm para peças aeroespaciais e de grau médico em TC4.
Usinagem por Descarga Elétrica (EDM) é ideal para microfuros e rasgos em TC4 quando ferramentas mecânicas podem induzir microtrincas térmicas.
Furação Profunda viabiliza canais de alto L/D para injetores de combustível com valores internos de Ra ≤1,6 µm.
Ensaios de Materiais, incluindo fadiga, dureza, microestrutura por MEV (SEM) e inspeção ultrassônica de descontinuidades, verificam a integridade estrutural de peças críticas em TC4.
Ensaios e Análise de Materiais
Os ensaios do Ti-6Al-4V incluem verificação de dureza, análise de vida em fadiga, propriedades de tração em temperatura ambiente e elevada, e inspeção não destrutiva conforme normas ASTM e ISO para o setor aeroespacial.
Aplicações Industriais do Ti-6Al-4V (TC4)
Aeroespacial: Usado em componentes de motor, trem de pouso, estruturas e conectores de fuselagem devido à sua excelente relação desempenho/peso.
Defesa: Fabricado em placas de blindagem, carcaças de mísseis e estruturas de UAV que exigem durabilidade leve sob impacto.
Médico: Utilizado em implantes ortopédicos, sistemas para coluna e próteses odontológicas pela biocompatibilidade e osseointegração.
Automobilismo: Peças como molas de válvula, componentes de suspensão e escapamentos demandam resistência à fadiga térmica e leveza da TC4.
Energia: Componentes de turbinas a gás, tubos de trocadores de calor e peças para plantas químicas se beneficiam da resistência à corrosão e à fluência da TC4.
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