Razões para o uso de titânio
reduzir o peso
A alta resistência e baixa densidade de titânio (cerca de 40% menor que o aço) oferecem muitas oportunidades de redução de peso. Os melhores exemplos são seu uso nos trem de pouso das aeronaves Boeing 777 e 787 e Airbus A380. A figura 1 mostra o trem de pouso na aeronave 777. 1 Todas as peças marcadas são feitas de Ti-10V-2Fe-3Al. A resistência mínima da tração desta alusão é de 1.193 MPa; é usado para substituir o aço de baixa liga de alta resistência 4340M usado a 1.930 MPa. Esta substituição resultou em uma redução de peso de mais de 580 kg. 1 O Boeing 787 usa a próxima geração de liga de titânio de alta resistência Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, que é ligeiramente maior em força e tem certas vantagens de processamento. O uso de titânio na estrutura do trem de pouso também deve reduzir significativamente o custo de manutenção do trem de pouso à sua resistência à corrosão. A baixa densidade e alta resistência o tornam muito atraente para peças recíprocas, como varas de conexão para aplicações automotivas. Da mesma forma, o preço dos carros familiares é muito alto, mas o Departamento de Energia dos EUA está investindo pesado para tornar o preço dos componentes de titânio para carros e caminhões razoável. (O titânio tem sido usado com sucesso em carros de corrida high-end, e o custo não é um problema tão grande.)
Restrições espaciais
Esta aplicação não aparece com frequência, mas é importante. Os melhores exemplos são os feixes de trem de pouso usados nos 737, 747 e 757. Este componente funciona entre as asas e a fuselagem, suportando o trem de pouso. Outros aviões da Boeing usam liga de alumínio nesta aplicação, mas para os aviões acima, a carga é maior e a estrutura de alumínio não é adequada para o envelope da asa. A liga de alumínio será a primeira escolha porque seu custo é muito menor. O aço é outra opção, mas o peso será maior.
Temperatura de operação
A estrutura do motor e a área de escape funcionam em altas temperaturas, por isso a principal escolha são as ligas à base de titânio ou níquel; da mesma forma, as ligas de níquel aumentarão significativamente o peso. A temperatura de serviço da liga do motor de titânio é de cerca de 600°C. Algumas aplicações, como plugues e bocais (Figura 2), podem suportar temperaturas acima desta temperatura por um curto período de tempo sob certas condições de operação. Com exceção de ligas especiais do motor, o limite de temperatura das ligas de titânio é de aproximadamente 540°C. Acima desta temperatura, a contaminação do oxigênio torna-se um problema, tornando a superfície frágil. O titânio também é usado em estruturas a baixas temperaturas, como os propulsores dos motores de foguetes.
Resistência à corrosão
O titânio tem um óxido nascente muito resistente que se formará imediatamente quando exposto ao ar. Este óxido é responsável pela excelente resistência à corrosão. No ambiente aeroespacial, a corrosão não é um fator em titânio. Titânio não é pitted. Na opinião do autor, essa é a essência da experiência de serviço de alta qualidade. Em uso, as ligas de alumínio e aço eventualmente formarão poços de corrosão, que atuam como risers de estresse e, em seguida, causam corrosão por estresse ou rachaduras de fadiga. Isso não acontece com titânio. Essa resistência à corrosão passa pelas indústrias química, petroquímica, celulose, papel e construção. O titânio e suas ligas têm excelente resistência sob as condições de redução mais oxidantes, neutras e inibidas. Também tem resistência à corrosão no corpo humano. A biocompatibilidade também é muito boa; é usado em um dispositivo protético, e o osso crescerá em uma estrutura de titânio razoavelmente projetada. O titânio puro comercial também é usado em aplicações de construção exterior, e essa prática começou no Japão. É usado na superfície externa porque nunca precisa de manutenção. A mais famosa delas é o seu uso no exterior do Museu Guggenheim em Bilbao, Espanha.
Compatibilidade com material composto
O titânio é compatível com fibras de grafite em compósitos de polímeros. Há um alto potencial elétrico entre alumínio e grafite. Se o alumínio entrar em contato com grafite quando molhado, o alumínio será corroído. Pode ser isolado de materiais compostos por métodos como camadas de fibra de vidro, mas em áreas difíceis de inspecionar e substituir, o titânio é usado como um método conservador. Além disso, embora o coeficiente de expansão térmica (CTE) de titânio seja superior ao do grafite, é muito menor que o do alumínio. Mesmo dentro da faixa de temperatura de operação da estrutura da fuselagem, de cerca de –60°C durante o cruzeiro a +55°C em tempo quente, a diferença no CTE da estrutura de alumínio ligada ao material composto causará uma carga muito alta. Isso não é um problema com a estrutura de titânio. Obviamente, quanto maior o componente, maior o problema do uso de alumínio.
Baixo módulo
A principal área de importância é a substituição de molas de aço. Como o módulo é cerca de metade do de aço, apenas metade do número de bobinas é necessário. Combinando alta resistência e densidade (aproximadamente 60% de aço), as molas de aço podem, idealmente, reduzir o peso em aproximadamente 70%. Além disso, o titânio proporciona excelente resistência à corrosão, reduzindo assim os custos de manutenção.
Armadura
O titânio tem excelente resistência balística. Em comparação com a armadura de aço ou alumínio, possui a mesma proteção balística na densidade areal de interesse e pode reduzir o peso em 15-35%, reduzindo consideravelmente o peso dos veículos militares de combate terrestre. Veículos mais leves têm melhor capacidade de transporte e manobrabilidade. Excelente resistência à corrosão, baixa ferromagnetismo e compatibilidade com materiais compostos também proporcionam vantagens significativas. Dois projetos que usam titânio em veículos atualizados são o veículo de combate de infantaria Bradley (Figura 3) e o tanque de batalha principal abrams. 2 O custo relativamente alto de titânio foi reduzido com sucesso usando placas feitas de feixes de elétrons, lareiras frias e lingotes de derretimento único. 3
