Defeitos de forjamento de liga de titânio: causas, detecção e prevenção

Por que o forjamento de titânio é menos indulgente que o aço

O titânio forja em uma janela estreita de temperatura e conduz mal o calor, de modo que as diferenças entre a superfície e o centro de um tarugo são maiores do que seriam no aço. As ligas alfa e alfa-beta são especialmente sensíveis ao superaquecimento, e os defeitos resultantes de um ciclo de aquecimento ruim geralmente não são recuperáveis. Entender quais defeitos podem ser retrabalhados e o que significa que a peça é sucata é a diferença entre um processo controlável e uma taxa de refugo que ninguém consegue explicar.

Fragilidade beta por superaquecimento

A fragilidade beta é causada por superaquecimento. Em ligas alfa e alfa-beta, e particularmente nos graus alfa-beta, uma temperatura de forjamento acima do transus beta produz uma estrutura de grão beta anterior-beta grosseira e equiaxial com alfa precipitado ao longo dos limites do grão e uma estrutura intracristalina estriada. A plasticidade-da temperatura ambiente cai acentuadamente. Esta é a assinatura clássica de superaquecimento.

O superaquecimento não pode ser reparado por tratamento térmico. A estrutura deve ser quebrada retrabalhando o material abaixo do beta transus, e somente se a geometria do forjamento e o estoque restante permitirem. A prevenção depende do controle do forno: manter a temperatura do forno dentro de uma faixa qualificada, inspecionar a câmara regularmente, posicionar a carga de forma que as peças de trabalho não fiquem muito próximas dos elementos de aquecimento, usar defletores em ambos os lados em fornos aquecidos por resistência para evitar superaquecimento localizado e limitar o tamanho da carga. Medir o beta transus real do calor da liga em cada forno é uma salvaguarda adicional eficaz, porque o transus se move com o conteúdo intersticial.

Grão Grosso Localizado

No forjamento com martelo e matriz de pressão, a baixa condutividade térmica do titânio significa que a superfície do tarugo esfria acentuadamente em contato com a matriz, e o atrito entre a peça e as matrizes superior e inferior concentra a deformação no meio do tarugo. A superfície deforma-se menos, a sua estrutura original sobrevive e resulta numa banda de grão localmente grosseira.

Três medidas abordam isso. Uma operação de pré-forjamento distribui a deformação de maneira mais uniforme no passe de acabamento. Uma melhor lubrificação reduz o atrito entre o tarugo e a matriz. E o pré-aquecimento completo das matrizes reduz a queda de temperatura que o tarugo sofre durante a transferência e o contato.

Rachaduras superficiais

As fissuras superficiais aparecem principalmente quando a temperatura de acabamento cai abaixo da temperatura de recristalização total da liga. No forjamento em matriz, um tempo de contato excessivo entre o tarugo e a matriz é a causa comum: como o titânio conduz mal o calor, a superfície pode cair abaixo da temperatura de acabamento permitida enquanto o centro ainda está quente. Lubrificante de vidro no forjamento de matriz de pressão e tempo de contato reduzido entre a peça bruta e a matriz inferior no forjamento de martelo são as soluções padrão. As fissuras são superficiais e às vezes podem ser removidas por mistura, mas apenas dentro dos limites definidos pelo desenho e pela especificação de forjamento aplicável.

Estrutura fundida retida

Quando um lingote é forjado com redução insuficiente ou com sequência errada, a estrutura fundida sobrevive na peça acabada. A solução é baseada no processo-e não na inspeção-: aumente a taxa de forjamento e use recalques e repuxos repetidos para que os dendritos fundidos sejam quebrados e as linhas de fluxo sigam o contorno da peça. Um forjamento com estrutura fundida retida apresenta macroestrutura característica em uma peça de teste seccionada e atacada.

Bandas brilhantes

Faixas brilhantes são visíveis na macroestrutura de baixa{0}ampliação como faixas de brilho diferente do metal circundante. Dependendo do ângulo de iluminação, eles podem parecer mais claros ou mais escuros que o material base. Em uma seção-transversal eles aparecem como pontos ou flocos; em uma seção longitudinal, eles correm como listras suaves que podem ter de dez milímetros a vários metros de comprimento.

Existem duas causas. A primeira é a segregação química na liga, geralmente de elementos que afetam a resposta ao ataque. O segundo é o aquecimento por deformação durante o forjamento, onde a temperatura varia muito de ponto a ponto na peça. As bandas brilhantes degradam a plasticidade e o desempenho{3}}de altas temperaturas, portanto, prevenção significa controlar a segregação no estágio de fusão e escolher parâmetros de forjamento térmico, temperatura de aquecimento, grau de deformação e taxa de deformação, que mantêm a temperatura espalhada pelo forjamento sob controle.

Caso Alfa

A camada de fragilização alfa se forma quando o oxigênio e o nitrogênio se difundem para dentro através da escala de óxido solto em alta temperatura, aumentando o conteúdo intersticial da superfície do metal. À medida que o conteúdo de oxigênio e nitrogênio da superfície aumenta, também aumenta a proporção da fase alfa, até que a camada superficial possa ser inteiramente alfa. Essa camada é dura e quebradiça e, em um tarugo ou forjamento, pode rachar durante a deformação subsequente.

A espessura depende do tipo de forno, da natureza do gás do forno, da temperatura de aquecimento e do tempo de espera. A espessura aumenta com a temperatura, com o tempo de permanência e com o teor de oxigênio e nitrogênio da atmosfera do forno. Todas as ligas alfa, beta e alfa{2}}beta podem formar a camada, e as ligas alfa são especialmente propensas a isso; as ligas beta resistem até serem aquecidas acima de aproximadamente 980 graus. A camada deve ser removida por decapagem ou usinagem, e a profundidade permitida no desenho de forjamento é uma dimensão real, não tolerando folga.

Fragilização por Hidrogênio

Dois mecanismos operam. Na fragilização do tipo envelhecimento por deformação, os átomos de hidrogênio nos locais da rede intersticial se difundem sob tensão e se reúnem em concentrações de tensão ao longo do tempo, fixando os deslocamentos de modo que eles não possam se mover livremente e tornando a matriz frágil. Na fragilização do tipo hidreto, o hidrogênio dissolvido em alta temperatura precipita como hidreto à medida que a temperatura cai, fragilizando a liga. Ambos podem ocorrer em titânio e suas ligas.

A causa raiz em ambos os casos é o teor excessivo de hidrogênio e, portanto, as ligas industriais de titânio devem ser mantidas em ou abaixo de 0,015%. A prevenção durante o forjamento e o tratamento térmico significa usar uma atmosfera de forno levemente oxidante e, onde o hidrogênio já excede o limite, o recozimento a vácuo é o caminho para removê-lo. O teor de hidrogênio é medido no produto acabado por fusão com gás inerte de acordo com ASTM E1447, e um certificado de forjamento deve indicar o resultado e não a intenção.

Detecção e Aceitação

ASTM B381 abrange peças forjadas de liga de titânio e define as classes de qualidade e os requisitos de exame que um pedido de compra pode exigir; AMS 4928 cobre a barra Ti-6Al-4V, material de forjamento e rota de forjamento usada em trabalhos aeroespaciais. A aceitação mecânica é feita por meio de testes de tração conforme ASTM E8/E8M, com testes de tração em temperatura elevada e de ruptura por tensão para peças de seção quente. A integridade interna é normalmente verificada por exame ultrassônico e a condição da superfície por exame com líquido penetrante. A caixa alfa e a microestrutura são verificadas em cupons seccionados de um forjamento sacrificial ou de qualificação.

Perguntas frequentes

Q:Um forjamento de titânio superaquecido pode ser recuperado por rea-tratamento térmico?
R: Não. A estrutura grosseira transformada não pode ser revertida apenas por tratamento térmico. A recuperação requer deformação plástica abaixo do transus beta, e somente onde a geometria e o estoque restante permitirem.

Q:Por que o titânio forja com uma janela mais estreita que o aço?
R: Como o beta transus estabelece um limite superior rígido e a baixa condutividade térmica torna grande a diferença de temperatura-para-o centro. A janela utilizável é ainda reduzida pela necessidade de terminar acima da temperatura de recristalização.

Q:Qual é o teor máximo permitido de hidrogênio?
A: 0,015% para ligas industriais de titânio. Acima desse nível, tanto o envelhecimento por deformação quanto a fragilização do tipo hidreto tornam-se um risco real, e o recozimento a vácuo é necessário para reduzi-lo.

Q:As ligas beta formam um caso alfa?
R: Eles resistem melhor do que as ligas alfa e alfa{0}}beta e não formarão a camada até serem aquecidos acima de aproximadamente 980 graus. As ligas alfa são as mais sensíveis e necessitam do controle atmosférico mais rígido.

Q:Qual a profundidade do caso alfa em uma forja típica?
R: A profundidade depende da temperatura, do tempo e da atmosfera do forno. Deve ser removido por decapagem ou usinagem, e a tolerância de desenho para a profundidade afetada é um requisito do processo e não uma tolerância.

Q:O que causa bandas brilhantes em uma macroestrutura de titânio forjado?
A: Segregação química na liga ou variação excessiva de temperatura devido ao aquecimento por deformação durante o forjamento. Ambos degradam a plasticidade e o desempenho{1}}em altas temperaturas e são controlados na fusão e na prensa.