Caracterização microestrutural e estudo da resistência à oxidação cíclica da liga Ti-6Al-4V

Abstract

A liga Ti-6Al-4V apresenta elevada resistência à corrosão, baixo módulo de elasticidade, boa deformabilidade, biocompatibilidade e baixa densidade. Entretanto, a sua capacidade de ser aplicada no setor aeroespacial acompanha um desafio incontestável: a sua afinidade com o oxigênio e a limitação de seu uso em altas temperaturas. A exposição do material em elevadas temperaturas resulta na redução de sua resistência mecânica e degradação por oxidação. Nesse contexto o presente estudo teve como foco investigar a liga Ti-6Al-4V após ensaios de oxidação em diferentes condições de tempo e temperatura. A metodologia baseou-se em três etapas: i) amostras nas condições lixada e não lixada foram submetidas a ensaios de oxidação em temperaturas de 650, 750 e 850°C por até 32 ciclos de 1 hora de exposição na temperatura do ensaio e 10 minutos de resfriamento ao ar livre; ii) análise de rugosidade antes e após os ensaios de oxidação; e iii) caracterização microestrutural da amostra sem oxidação e da superfície das amostras oxidadas por microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X. Os resultados indicaram que a resistência à oxidação diminui com o aumento da temperatura. Além disso, nenhuma amostra apresentou boa resistência à oxidação na temperatura de 850°C, sendo esta uma temperatura crítica para a estabilidade da camada protetora, limitando sua aplicação em ambientes oxidantes. A liga Ti-6Al-4V na condição como recebida apresentou uma microestrutura bimodal composta pelas fases α e β. As análises de difração de raios X permitiram observar a presença das fases α-Ti, β-Ti e Al₂O₃, que também foram detectadas na amostra sem oxidação. Além disso, observou-se a presença do óxido de titânio (rutilo TiO₂) que se formou na superfície do material durante os ensaios de oxidação.

The Ti-6Al-4V alloy exhibits high corrosion resistance, low elastic modulus, good deformability, biocompatibility, and low density. However, its application in the aerospace sector faces a significant challenge: its affinity with oxygen and the limitation of its use at high temperatures. Exposure of the material to elevated temperatures results in reduced mechanical strength and degradation due to oxidation. Motivated by this scenario, the present study focused on investigating the Ti-6Al-4V alloy after oxidation tests under different time and temperature conditions. The methodology was divided into three stages: i) samples in ground and unground conditions were subjected to oxidation tests at temperatures of 650, 750, and 850 °C for up to 32 cycles of 1 hour of exposure at the test temperature, followed by 10 minutes of air cooling outside the furnace; ii) roughness analysis before and after the oxidation tests; iii) microstructural characterization of the unoxidized sample and the surface of the oxidized samples using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Diffraction (XRD).The results indicated that oxidation resistance decreases with increasing temperature. Furthermore, none of the samples showed good oxidation resistance at 850 °C, which proved to be a critical temperature for the stability of the protective layer, limiting its application in oxidizing environments. The as-received Ti-6Al-4V alloy exhibited a bimodal microstructure composed of α and β phases. XRD experiments revealed the presence of α-Ti, β-Ti, and Al₂O₃ phases, which were also detected in the unoxidized sample. Additionally, titanium oxide (rutile TiO₂) was observed to form on the material's surface during the oxidation tests.