Compreendendo as propriedades térmicas do titânio

O titânio e suas ligas são amplamente utilizados para aplicações estruturais em aeroespacial, automotivo, defesa, equipamentos esportivos e saúde devido à sua alta resistência, baixo peso, excelente resistência à corrosão e propriedades geralmente estáveis ​​em altas e baixas temperaturas. No entanto, as propriedades térmicas exclusivas do titânio o tornam inadequado para certas aplicações, enquanto se destaca em outras.

O titânio se comporta de maneira um pouco diferente da maioria dos metais em temperaturas extremas, por isso é importante entender as propriedades térmicas do titânio antes de usá-lo em tal ambiente. Por exemplo, embora o titânio permaneça forte em altas temperaturas, ele não dissipa facilmente o calor, o que pode causar acúmulo de calor no metal. No entanto, algumas ligas de titânio também podem funcionar extraordinariamente bem em temperaturas criogênicas.

Neste post, exploraremos as propriedades térmicas do titânio em altas temperaturas e temperaturas criogênicas e como elas afetam sua capacidade de desempenho em aplicações comuns.

Propriedades Térmicas do Titânio em Altas Temperaturas

O titânio pode funcionar bem em ambientes de temperaturas extremas devido ao seu alto ponto de fusão e resistência à fadiga de alto ciclo. É preferido em aplicações como motores de aeronaves, navios navais, naves espaciais, mísseis e tubos para usinas de energia devido à sua excelente resistência à corrosão causada por um processo de oxidação protetora que ocorre quando exposto a altas temperaturas. Esta oxidação de temperatura é reduzida em atmosferas de oxigênio puro.

Abaixo, analisamos mais detalhadamente as propriedades térmicas do titânio comercialmente puro e das ligas de titânio.

Titânio comercialmente puro

O titânio comercialmente puro tem uma alta relação resistência-peso e é uma excelente escolha para uso em componentes que operam em altas temperaturas, pois possui ponto de fusão em torno de 3.034°F e densidade de aproximadamente 4,5 g/cm3. No entanto, suas aplicações às vezes podem ser limitadas, pois o titânio pode pegar fogo e causar danos extremos se exposto a situações em que se esfrega contra outros metais em temperaturas elevadas.

O titânio comercialmente puro é resistente à corrosão, formando uma camada protetora de óxido quando exposto a altas temperaturas. Isso pode ser positivo quando reativo com água ou em temperaturas ambientes em qualquer lugar da Terra. No entanto, o titânio também reage com oxigênio e carbono em altas temperaturas, o que cria desafios na preparação de metal, cristais ou pó de titânio. Se o pó de titânio for aquecido com oxigênio presente, pode se tornar um risco de explosão em processos como impressão 3D e metalurgia de sinterização de pó. Essas propriedades são excelentes em tubos, mas não são adequadas para motores a jato e motores de foguete.

Devido à sua alta resistência e resistência à fluência, o titânio comercialmente puro pode permanecer estável em temperaturas de até aproximadamente 572°F. Comparado a outros metais, como o alumínio, o titânio tem baixa condutividade térmica e elétrica, o que pode resultar em acúmulo excessivo de calor.

O titânio não é solúvel em água e sua hidrossolubilidade diminui ainda mais com temperaturas elevadas, tornando-o um bom candidato para reatores de fusão confinados magneticamente. O titânio também é frequentemente usado em implantes ortopédicos e dentários - no entanto, para a maioria das aplicações, outros metais são frequentemente adicionados ao titânio para criar ligas mais fortes e resistentes.

Ligas de titânio

O titânio puro é frequentemente misturado com outros metais para criar ligas que proporcionam maior resistência à tração e tenacidade, mesmo em altas temperaturas. Essas ligas são divididas em três categorias diferentes:alfa, beta e alfa+beta. Uma breve descrição de cada categoria de liga de titânio é descrita abaixo.

• Ligas alfa contêm metais como alumínio e estanho e têm uma resistência excepcional à fluência em temperaturas de até 1.100°F. Por causa disso, as ligas alfa são frequentemente preferidas para aplicações de alta temperatura. No entanto, eles têm resistência baixa a média que não pode ser aumentada por tratamento térmico.
• Ligas beta , que contêm elementos como molibdênio, vanádio e nióbio, têm excelente temperabilidade e podem ser facilmente tratados termicamente para aumentar sua resistência. Essas ligas têm alta tenacidade à fratura e são altamente forjáveis. No entanto, as ligas beta não podem suportar temperaturas tão altas quanto as ligas alfa.
• Ligas alfa+beta também são tratáveis ​​termicamente e oferecem resistência média a alta. Essas ligas também podem operar em temperaturas mais altas do que os graus de titânio comercialmente puros e têm uma resistência à fluência de até 500-800°F.

Algumas ligas de titânio com complexidades mais altas exibem alta resistência em temperaturas de até cerca de 932°F. As ligas de titânio também geralmente têm condutividades térmicas mais baixas do que o titânio comercialmente puro.

Propriedades Térmicas do Titânio em Temperaturas Criogênicas

O titânio e suas ligas também são diferentes de outros metais, pois alguns deles podem manter sua resistência e ductilidade incrivelmente bem em temperaturas criogênicas. Em particular, as ligas alfa são adequadas para aplicações criogênicas devido à ausência da transição dúctil-frágil que é característica das ligas beta. As ligas beta geralmente não são consideradas para uso em ambientes com temperaturas criogênicas devido a essa transição dúctil-frágil. No entanto, as ligas alfa-beta, que contêm estruturas cristalinas de fase alfa e beta, também apresentam características de alta resistência em ambientes criogênicos. Em particular, a liga Ti-6Al-4V alfa+beta pode ser usada em temperaturas criogênicas de até cerca de 800°F e é usada para muitas peças de fuselagem e motor.

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