Liga de titânio Ti-6Al-4V: características fundamentais
Alumínio 5,5–6,75%, vanádio 3,5–4,5% e oligoelementos como ferro, carbono, nitrogênio, oxigênio e hidrogênio compõem os componentes químicos primários da liga de titânio Ti-6Al-4V. Sua densidade é de 4,44g/cm³; a faixa de temperatura de fusão é de 1.630 a 1.650 graus. Com faixas de 825–895 MPa e 895–1180 MPa respectivamente, esta liga de titânio apresenta bom alongamento (10–15%) e contração transversal (25–35%). Sua resistência à tração e resistência ao escoamento são excelentes.
A baixa condutividade térmica da liga de titânio Ti-6Al-4V, forte atividade química, endurecimento severo, que produz baixa velocidade de corte e curta vida útil da ferramenta, portanto, as dificuldades de usinagem desta liga são muito significativas. No entanto, técnicas de tratamento térmico, incluindo recozimento, tratamento em solução e tratamento de envelhecimento, podem ajudar a maximizar suas qualidades mecânicas. Além disso, adequada para aplicação nos setores marítimo e químico, a liga apresenta grande resistência à corrosão em condições exigentes, incluindo oxidação, redução, ácido forte e álcali forte.
Aplicação de tecnologia de impressão 3D de metal aeroespacial
Como uma técnica sofisticada de fabricação aditiva, a tecnologia de impressão 3D de metal pode fornecer moldagem integrada de componentes de formatos complexos na indústria aeroespacial, melhorando assim a precisão e a qualidade da fabricação. A excelente aplicação da liga de titânio Ti-6Al-4V tornou-a um dos materiais mais investigados para impressão 3D de metal.
Equipamentos aeroespaciais, incluindo a carcaça cônica da cabine elétrica, a carcaça cilíndrica da cabine de controle elétrico do foguete e a cauda exibem formas complicadas e estruturas dispersas, incluindo saliências, nervuras, janelas, etc. Embora a tecnologia de impressão 3D possa executar facilmente a moldagem integrada de essas estruturas complicadas e garante a precisão e a qualidade das peças, as técnicas de produção tradicionais são difíceis de alcançar. A Platinum Technology Company, por exemplo, produziu esses componentes de casco para os foguetes da série “txi”, que atendem aos critérios, possuem forte controle geral de deformação, tamanho e propriedades mecânicas estáveis e integridade mecânica.
Componentes do motor: Especialmente para componentes importantes como injetores de combustível, turbobombas e câmaras de combustão, que possuem estruturas complicadas e requisitos rígidos de desempenho de materiais e precisão de fabricação, a produção de motores de foguete exige critérios técnicos muito elevados. A moldagem integrada de construções complexas é possível utilizando a tecnologia de impressão 3D, aumentando assim a confiabilidade e o desempenho do motor.
Componentes estruturais das asas: Embora tenham construções complicadas, as asas das aeronaves devem ter grande resistência e pouco peso. Estruturas internas complexas, incluindo vigas e nervuras de asas, podem ser produzidas através da tecnologia de impressão 3D de metal para componentes de asas. A redução do peso por meio do projeto estrutural ajuda a melhorar simultaneamente a resistência e a rigidez da asa.
pás para motores: O ambiente operacional hostil das pás dos motores de aeronaves exige grande resistência à temperatura e resistência ao desgaste dos materiais. Pás de motor com formas e estruturas internas exclusivas, incluindo pás com canais de resfriamento, que podem aumentar a eficácia de resfriamento das pás e prolongar sua vida útil, podem ser produzidas por tecnologia de impressão 3D de metal.
Problemas e soluções para impressão 3D de liga metálica de titânio Ti-6Al-4V
A liga de titânio Ti-6Al-4V ainda apresenta certas dificuldades, mesmo que tenha vários benefícios para impressão 3D de metal. Os componentes típicos produzidos com aditivo Ti-6Al-4V têm características de tração anisotrópica com grãos anteriores colunares grossos. Assim, o aumento das características de tração dos grãos equiaxiais tornou-se um importante assunto de estudo.
Para refinar os grãos anteriores dos componentes Ti-6Al-4V durante a deposição de energia dirigida a laser (LDED), a Academia Coreana de Ciências e técnica propôs uma técnica de fabricação aditiva auxiliada por laser pulsado (PLAAM). Usando ondas de choque produzidas a laser, fenômenos de cavitação e fluxo acelerado de Marangoni para gerar estruturas finas equiaxiais de grãos anteriores, este método incorpora lasers de pulso de nanossegundos com sistemas LDED para fornecer alta energia de pulso à poça de fusão, proporcionando assim um ambiente favorável. Com 3,78 vezes a quantidade de grãos Prior por unidade de área em comparação com amostras convencionais de fabricação aditiva, a pesquisa demonstrou que as amostras PLAAM exibem grãos Prior mais finos e equiaxiais em toda a altura de construção de 30 mm.
otimização de componentes de fabricação aditiva e avaliação de desempenho
Os componentes produzidos com aditivos devem satisfazer os requisitos da indústria aeroespacial para serem utilizados no setor. Em cooperação com a Rolls Royce, uma equipe de pesquisa da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, avaliou o desempenho de amostras de Ti-6Al-4V produzidas e fabricadas usando manufatura aditiva com fusão em leito de pó a laser (L-PBF). Estudos indicaram que amostras de Ti-6Al-4V geradas feitas por fabricação aditiva de L-PBF tratadas com método de fabricação aeronáutica (MoM) têm uma vida útil à fadiga melhor do que amostras produzidas na fabricação. Além disso, a técnica de polimento vibratório aumenta a suavidade da superfície e a vida em fadiga, ao mesmo tempo que mantém a tensão residual compressiva vantajosa do shot peening.
O estudo também observou que em 50% o polimento superficial pode aumentar a vida útil em fadiga de componentes usinados e jateados. Prolongar a vida útil dos componentes e evitar falhas depende muito dos métodos de tratamento de superfície, incluindo shot peening e polimento vibratório. O shot peening introduz tensão de compressão ao produzir deformação plástica dos materiais e melhorar as estruturas dos grãos superficiais e subterrâneos, melhorando assim o desempenho em fadiga. O shot peening pode, no entanto, causar variações e rugosidade superficial excessiva; portanto, a rugosidade superficial necessária requer um último polimento fino. O polimento vibratório é uma técnica de polimento em lote em que o material é removido uniformemente da superfície em um ritmo regulado e gera texturas suaves, reduzindo assim a rugosidade da superfície, mantendo a tensão de compressão e o refinamento do grão tanto na superfície quanto por baixo.
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