ISSN 1517-7076
Revista Matéria, v. 10, n. 3, pp. 481 – 489, 2005 http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10686
Solidificação de Ligas Ti-B A. S. Ramosa,b, C. A. Nunesb, G. C. Coelhob a - Universidade do Vale do Paraíba Avenida Shishima Hifumi, 2911 – CEP 12244-000 – São José dos Campos, SP , Brasil e-mail:
[email protected] b - Faculdade de Engenharia Química de Lorena Polo Urbo Industrial, Gleba AI-6, s/n – CEP 12600-000 – Lorena, SP , Brasil e-mail:
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[email protected] RESUMO Estudos nos sistemas Me-Si-B (Me-metal refratário) têm sido realizados em termos de diagramas de fases e moagem de alta energia. Informações de ligas binárias Me-B e Me-Si são importantes para o entendimento de transformações de fases ocorridas em sistemas ternários. O presente trabalho relata sobre os caminhos de solidificação das seguintes ligas Ti-B (%-at.): Ti-4B, Ti-10B, Ti-34B, Ti-36B, Ti-37B, Ti-45B e Ti-66B. Lingotes de ligas Ti-B foram preparados a partir de matérias-primas de alta pureza, em um forno a arco usando um cadinho de cobre refrigerado à água e eletrodo de tungstênio não-consumível, sob atmosfera de argônio. As microestruturas das ligas fundidas foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microanálises via WDS. Os resultados sugerem que as composições dos líquidos referentes às formações peritéticas das fases TiB e Ti3B4 ocorrem para composições inferiores a 36 e 37%at.B, respectivamente, diferente do que é proposto no diagrama de fases TiB atualmente aceito. B
Palavras chaves: diagrama de fases, ligas de titânio, solidificação.
Solidification of Ti-B alloys ABSTRACT Studies on the Me-Si-B (Me-refractory metal) systems have been realized in terms of phase diagrams and high-energy ball milling. Information of binary Me-B and Me-Si alloys are important to understand the phase transformations in ternary systems. The present work reports on the solidification paths of the following Ti-B alloys (at-%): Ti-4B, Ti-10B, Ti-34B, Ti-36B, Ti-37B, Ti-45B e Ti-66B. Ingots of Ti-B alloys were produced by arc melting under argon atmosphere from high-purity raw-materials using a watercooled copper crucible, non-consumable tungsten electrode and gettered by titanium. The microstructures of as-cast alloys were characterized by means of scanning electron microscopy (SEM) and microanalyses via WDS. Results have suggested that the liquid composition relative to peritectic reactions of the TiB and Ti3B4 phases occur at compositions lower than 36 and 37at-%B, respectively, differing from those proposed in the accessed Ti-B phase diagram. B
Keywords: phase diagram, titanium alloys, solidification.
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INTRODUÇÃO
Fases intermetálicas do sistema Ti-B, como o TiB e o TiB2 têm sido usadas no desenvolvimento de ligas de titânio endurecidos por dispersóides, as quais apresentam potencial para aplicações estruturais em altas temperaturas [1, 2]. Estes materiais têm sido preparados também através de técnicas de metalurgia do pó [3-5]. Informações obtidas a partir de diagramas de fases são importantes para o desenvolvimento e a aplicação de materiais. Regiões de fases primárias, reações invariantes e outras informações são obtidas a partir da determinação de um diagrama de fases, o qual possibilita prever as possíveis fases existentes em uma microestrutura de uma liga no estado bruto de fusão, assim como indicar a seqüência de formação das fases a partir do líquido, para uma dada composição nominal. Estudos sobre a estabilidade de fases de sistemas binários, ternários e de ordem superior envolvendo a determinação de seções isotérmicas permitem a identificação de composições de ligas contendo microestruturas de equilíbrio com potencial para aplicações estruturais em altas temperaturas. B
Autor Responsável: A. S. Ramos
RAMOS, A.S., NUNES, C.A., COELHO, G.C., Revista Matéria, v. 10, n. 3, pp. 481 – 489, 2005.
O diagrama de fases do sistema Ti–B atualmente aceito [6] está mostrado na Figura 1, baseado nos resultados de Rudy e Windisch [7] e Fenish [8]. As fases sólidas estáveis do sistema Ti-B são: (1) soluções sólidas terminais: Ti-β ccc (alta temperatura), Ti-α hc (baixa temperatura) e βB-romboédrico; (2) dois compostos intermediários, o TiB e o TiB2 apresentando uma faixa de homogeneidade de 1 e 1,2 %at. B, respectivamente e (3) a fase Ti3B4 (estequiométrica). Os dados de composição das fases e das temperaturas das reações invariantes estão indicados na Tabela 1 [6]. As seguintes considerações foram adotadas: (i) o diagrama de fases é baseado em observações microestruturais; (ii) as linhas liquidus foram calculadas a partir de dados termodinâmicos; e (iii) uma solubilidade do boro no titânio inferior a 1 %at., a 1540oC, o que foi relatada por Rudy e Windisch [7]; (iv) não existe um consenso da composição eutética Tiss+TiB. Fenish [8] e Rudy e Windisch [7] sugerem que a composição referente a esta reação está próxima de 1 e 7 ± 1 %at. B, respectivamente. Assim, é considerada a composição sugerida por Rudy e Windisch [7], visto que a composição sugerida por Fenish [8] representa uma diminuição da temperatura de 200oC para menos de 1 %at. B, o que é termodinamicamente improvável; (v) com relação à formação da fase TiB, Rudy e Windisch [7] sugerem que esta se forma a partir do líquido segundo a reação peritética L+TiB2⇔TiB a 2190±20oC, enquanto que Fenish [8] sugere a formação através da reação peritética L+Ti3B4⇔TiB a 2000oC. No diagrama de fases TiB [6], as duas reações peritéticas L+TiB2⇔Ti3B4 e L+Ti3B4⇔TiB são mostradas conforme os resultados de Fenish [8] e, respectivamente, posicionadas a 2200 e 2180oC, de acordo com os resultados de Rudy [7]. É admitida a faixa de composição de 49 a 50 %at. B para a fase TiB; (vi) no que se refere à fase Ti3B4, estudos realizados por Fenish [8, 9] indicam que esta fase se forma a partir do líquido através da reação peritética L+TiB2⇔Ti3B4 a 2020oC, 20oC acima da temperatura de formação da fase TiB; (vii) com relação à fase TiB2, é adotado o valor de 3225±25oC encontrado por Rudy e Windisch [7], referente à temperatura de fusão da fase. É admitida a faixa de composição entre 65,5 e 66,7 %at. B, para a fase TiB2. O presente trabalho tem o objetivo de identificar fases primárias formadas e reações invariantes ocorridas durante a solidificação de ligas Ti-B. A metodologia adotada durante o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa envolveu as seguintes etapas: (i) produção das ligas Ti-B via fusão a arco (~8g) sob atmosfera de argônio e (ii) caracterização das ligas no estado bruto de fusão e após tratamentos térmicos com o auxílio de técnicas de difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e microanálises via EDS e WDS. B
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Figura 1: Diagrama de fases Ti-B
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RAMOS, A.S., NUNES, C.A., COELHO, G.C., Revista Matéria, v. 10, n. 3, pp. 481 – 489, 2005.
Tabela 1: Dados das reações invariantes do sistema Ti-B [6]. Composição (%at. B) Temperatura (oC) Tipo de Reação
Reação L Ù (βTi)
0
1670
Fusão elem. puro
(βTi) Ù (αTi)
0
882
Transf. alotrópica
L Ù (βTi) + TiB
7±1
