O desenvolvimento e a aplicação de ligas de titânio na indústria aeroespacial.

Desde o início da produção industrial de titânio na década de 1940, ele tem sido amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial, militar, naval, petroquímica, de geração de energia e supercondutividade, devido à sua alta resistência específica, excelente resistência à corrosão, propriedades não magnéticas e boa soldabilidade, além de suas vantagens em supercondutividade, armazenamento de hidrogênio e memória de forma. É frequentemente chamado de "metal de uso geral", "metal naval", "terceiro metal" e "metal moderno". À medida que as propriedades excepcionais do titânio continuam a ser exploradas, seu escopo de aplicação se expande constantemente, posicionando-o como o terceiro metal estrutural, depois do aço e do alumínio.

Matérias-primas de liga de titânio

Devido ao seu papel crucial na defesa, aeroespacial e em áreas de alta tecnologia, o titânio tem sido priorizado por potências militares como os Estados Unidos, a Rússia, o Reino Unido, a França e o Japão, sendo designado como um metal estrutural estrategicamente significativo para o século XXI. O desenvolvimento da ciência e da tecnologia do titânio, incluindo novas ligas, novas técnicas de fundição e tecnologias de aplicação, está passando por mudanças rápidas e contínuas. A indústria de titânio da China passou por quase 40 anos de altos e baixos. Com apoio nacional, fez progressos significativos e estabeleceu um sistema industrial de titânio independente. Tomando como base os números de produção de 2000, de 1.751 toneladas de titânio esponjoso e 2.206 toneladas de materiais processados ​​de titânio, a China produziu 49.632 toneladas de titânio esponjoso em 2008, representando um aumento de 27,3 vezes em oito anos; em 2008, a China produziu 27.737 toneladas de materiais processados ​​de titânio, um aumento de 11,6 vezes.

Devido ao alto custo das matérias-primas da liga de titânio, 70% a 80% de Material de titânioAs ligas de titânio são utilizadas na indústria aeroespacial no exterior. O setor aeroespacial chinês também apresenta uma demanda significativa por ligas de titânio. Atualmente, a proporção de ligas de titânio utilizadas em aeronaves avançadas em desenvolvimento na China é de aproximadamente 10% a 12%. A proporção de titânio utilizado na aviação militar é ainda maior, em torno de 20% a 30%, enquanto a proporção de titânio utilizado em motores de aeronaves militares ultrapassa 30%. O uso de titânio em novos foguetes e mísseis também está aumentando.

Desenvolvimento e aplicação de ligas estruturais de titânio

À medida que os conceitos de projeto de aeronaves evoluíram do foco tradicional na resistência estática para a segurança e vida útil, a segurança em caso de danos e, finalmente, para os modernos conceitos de projeto tolerantes a danos, os materiais avançados de liga de titânio também têm se voltado gradualmente para ligas de titânio tolerantes a danos, caracterizadas por alta tenacidade à fratura e baixas taxas de propagação de trincas. Atualmente, os países desenvolvidos lideram a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais de liga de titânio tolerantes a danos e sua aplicação em aeronaves avançadas, particularmente o Ti-6Al-4V ELI de média resistência e o Ti-6-2222S de alta resistência, que foram aplicados com sucesso nas aeronaves de próxima geração F-22, F-35 e C-17 dos EUA, aumentando significativamente a vida útil e a eficácia em combate dessas aeronaves. Com a evolução dos conceitos de projeto de aeronaves, o conceito de projeto tolerante a danos para estruturas de liga de titânio começou a ganhar atenção na China. Desde o 15º Plano Quinquenal, a China desenvolveu de forma independente as ligas de titânio tolerantes a danos TC4-DT (resistência média, alta tenacidade) e TC21 (alta resistência, alta tenacidade) e estabeleceu a tecnologia de processamento β para ligas de titânio tolerantes a danos, lançando as bases para a tecnologia de aplicação de materiais no desenvolvimento de novas aeronaves na China. Para atender às necessidades de desenvolvimento de ligas de titânio para estruturas aeroespaciais, a China desenvolveu de forma independente ligas de titânio de baixa resistência e alta tenacidade para fios (NbTi) e para tubos (TAl8), bem como a série de ligas de titânio de ultra-alta resistência de 1300 MPa a 2000 MPa (TB8, TBl9, TB20), entre outras. Isso constituiu um novo sistema de materiais de liga de titânio com características chinesas para estruturas aeronáuticas, estabelecendo as bases para a estrutura de aplicação de ligas de titânio de próxima geração para estruturas aeroespaciais.

A liga de titânio Ti-6Al-4V (TC4) é uma liga de titânio do tipo α-β de média resistência, desenvolvida no início da década de 1960, que apresenta excelentes propriedades em geral e é frequentemente referida como uma "liga universal". A liga de titânio TC4 é a liga de titânio de uso geral mais antiga e mais amplamente utilizada em estruturas aeroespaciais, incluindo chapas, barras e componentes forjados/fundidos. Esta liga possui boa soldabilidade e usinabilidade. Ligas de grãos finos exibem superplasticidade, e a combinação dos processos de conformação superplástica/soldagem por difusão (SPF/DB) pode ser usada para fabricar componentes complexos.

As ligas de titânio estruturais de alta resistência geralmente se referem a ligas com resistência à tração superior a 1000 MPa. Atualmente, as ligas de titânio de alta resistência que representam o nível avançado internacional e são aplicadas em aeronaves incluem as ligas metaestáveis ​​do tipo β Ti-15-3 e β321s, a liga quase-β Ti-1023 e a liga de titânio bifásica α-β BT22. A substituição do aço estrutural de alta resistência 30CrMnSiA, atualmente amplamente utilizado em estruturas de aeronaves, por ligas de titânio estruturais de alta resistência pode reduzir o peso em mais de 20%.

A liga Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo (TC21) é uma liga de titânio bifásica de alta resistência, alta tenacidade e tolerância a danos, desenvolvida na década de 1970. Após tratamento termomecânico, essa liga apresenta alta resistência, excelente tolerância a danos e superior resistência à propagação de trincas por fadiga, tornando-a adequada para a fabricação de componentes estruturais de alta resistência e tenacidade. A adição de elementos de silício permite que a liga mantenha alta resistência em temperaturas intermediárias, superando a liga Ti-6Al-4V. As chapas da liga podem ser submetidas à conformação superplástica à temperatura ambiente.

A liga Ti-10V-2Fe-3Al (TB6) é uma liga de titânio quase-β de alta resistência e tenacidade, desenvolvida no final da década de 1970. Essa liga apresenta alta resistência específica, boa tenacidade à fratura, grande área de têmpera, baixa anisotropia, excelente desempenho de forjamento e forte resistência à corrosão. Ela combina as vantagens das ligas de titânio β metaestáveis ​​sem perder as características de solução sólida das ligas de titânio, atendendo aos requisitos de projeto com tolerância a danos, alta eficiência estrutural, alta confiabilidade e baixo custo. A temperatura máxima de operação é de 320 °C. Os principais produtos dessa liga incluem barras, peças forjadas, chapas grossas e perfis. Através de tratamento térmico de solubilização e envelhecimento, ela atinge um bom equilíbrio entre resistência, ductilidade e tenacidade à fratura, tornando-a adequada para a fabricação de componentes estruturais com altas exigências de resistência e tenacidade à fratura. Através de tratamento termomecânico, ela pode atingir excelente tenacidade e baixas taxas de propagação de trincas, tornando-a adequada para estruturas com altas exigências de tenacidade à fratura.