Fundição do Titânio e suas Ligas

Processos de Fundição do
Titânio e suas Ligas
Relatório realizado no âmbito da
Unidade Curricular de
Processos de Fabrico II
Autores:
António Postiga up201306193
Filipe Giesteira up201306293
Orientador:
Eng.º Rui Jorge Neto
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Porto, 24 de Outubro de 2016
Turma: 4M03

i
Resumo e Objetivos Visados
O presente relatório foi elaborado no âmbito da unidade curricular de Processos de
Fabrico II, e tem como principal objetivo a apresentação teórica das principais tecnologias de
fabrico do titânio e suas ligas.
Será feito um acompanhamento de todo o ciclo produtivo típico de uma peça vazada
nestas ligas desde as técnicas de fusão do metal, vazamento e tratamentos pós fundição. Apesar
de existirem inúmeros tratamentos na fase posterior à fundição, apenas iremos abordar o
tratamento químico de Chemical Milling e o tratamento termomecânico de Hot Isostatic
Pressing.
Atendendo ao oligopólio que os processos de Investment Casting juntamente com a
fundição em moldações grafíticas constituem, apenas iremos abordar estas duas principais
técnicas usadas no fabrico de peças em ligas de titânio.
Em suma, procurou-se dar um seguimento natural aos tópicos abordados tentando,
sempre na medida do possível, transmitir tanto as perspetivas teóricas do processo como os
aspectos e pormenores mais práticos da técnica, de maneira simples e eficaz.

Fundição do Titânio e suas Ligas
1
Processos de Fabrico II MIEM - 2016/2017
Conteúdos
Lista de Figuras............................................................................................................................. 2
Lista de Tabelas............................................................................................................................. 6
Lista de Gráficos ........................................................................................................................... 7
1- Análise do Titânio e suas Ligas............................................................................................. 8
1.1- Propriedades do Titânio Puro............................................................................................. 8
1.2- Processo de Produção do Titânio Puro ............................................................................ 10
1.3- Propriedades Mecânicas e Tecnológicas das suas Ligas.................................................. 11
1.4- Principais Aplicações................................................................................................... 15
1.4.1- Aplicações aeroespaciais .......................................................................................... 16
1.4.2- Aplicações biomédicas.............................................................................................. 17
1.4.3- Aplicações industriais ............................................................................................... 17
1.4.4- Aplicações de lazer ................................................................................................... 18
2- Relação entre a Fundição e Forjamento .............................................................................. 19
3- Processos de fusão do titânio e suas ligas ........................................................................... 20
3.1- Induction Skull Melting................................................................................................... 20
3.2 – Vacuum Arc Melting (VAR).......................................................................................... 22
3.3 – Electro-slag Remelting (ESR)........................................................................................ 26
4- Processos de Fundição do Titânio e suas Ligas .................................................................. 28
4.1- Fundição em Cera Perdida (Lost Wax Investment Casting)........................................... 29
4.1.1- Técnicas de Vazamento específicas:......................................................................... 41
4.1.2- Principais aplicações................................................................................................. 45
4.2- Fundição em Moldes de Grafite....................................................................................... 46
4.2.1- Principais Aplicações................................................................................................ 51
5- Principais Defeitos das Peças Fundidas em Ligas de Titânio ............................................. 52
6- Tratamentos pós Vazamento ............................................................................................... 55
6.1- Hot Isostatic Pressing (HIP)............................................................................................. 55
6.2- Chemical Milling ............................................................................................................ 60
Conclusões .................................................................................................................................. 62
Refrências Sitiográficas............................................................................................................... 63
Referências Bibliográficas .......................................................................................................... 64

2
Lista de Figuras
Figura 1 - Mineral ilmenite (Wilson 2010) ................................................................................... 8
Figura 2 - Mineral rutilo (Minerals.net 2016)............................................................................... 8
Figura 3 - Transformação alotrópica do Titânio (Britannica 2016) .............................................. 8
Figura 4 - Esquema do processo de Kroll (TitaniumExposed 2016) .......................................... 11
Figura 5 - Pás do primeiro andar de compressão de um motor de avião. (TMS Titanium 2016)16
Figura 6 – Taco de golfe feito em titânio.................................................................................... 18
Figura 7 - Raquete de ténis feita em titânio................................................................................. 18
Figura 8 - Esquema de uma fornalha de indução (esquerda) e fotografia de uma fornalha de
indução (direita) (Consarc 2016)................................................................................................. 21
Figura 9 - Esquema de uma fornalha de Vacuum Arc Remelting (Patriot Special Metals 2016)22
Figura 10 - Fotografia de uma fornalha de Vacuum Arc Melting (ALD Vacuum Technologies
2016) ........................................................................................................................................... 23
Figura 11 - Macroestrutura que mostra a orientação das colunas granulares no lingote de nióbio
obtido por VAC com menor taxa de fusão (a) e maior taxa de fusão (b) (Sankar, Satya Prasad et
al. 2015)....................................................................................................................................... 24
Figura 12 - Fotografia de uma fornalha de Electro-Slag Remelting (ALD Vacuum Technologies
2016) ........................................................................................................................................... 26
Figura 13 - Esquema simplificado dos processos VAR e ESR lado a lado (Campbell 2015) .... 27
Figura 14 - Imagem retirada de vídeo promocional do grupo de empresas de fundição RLM... 29
Figura 15- Matriz para injeção de ceras de elevada complexidade. Trabalho do artista kosniak
retirado do seu canal do youtube®.............................................................................................. 30
Figura 16- Matriz para injeção de diversos modelos. Imagens retiradas de video promocional
das Industrias Mayo® ................................................................................................................. 30
Figura 18- À esquerda estação de soldadura (ferro de soldar mais fonte de alimentação) da
empresa portuguesa Castro Electrônica®. À direita, bico de gás butano com regulador de chama
da Mestra®.................................................................................................................................. 33
Figura 19- Unidade de soldadura automatizada por sistema de automação dedicado. Integração
da MPI® com recurso a robós industriais da ABB Robotics®................................................... 34
Figura 20- Sequência do processo de soldadura automatizado por MPI Enterprise® ................ 34

3
Figura 21- Sistema de fixação automático com sensor de posição da RoboticQ®. Adequado para
o manuseamente de peças frágeis................................................................................................ 34
Figura 22- Sistema automático de obtenção da carapaça para investment casting, retirado de um
video promocional de soluções de automação dedicada para Investment Casting produzidas por
ModTech India®......................................................................................................................... 35
Figura 23- Sistema de mergulho e stuccoing de múltiplas árvores............................................. 36
Figura 24- Vulcan Engineering................................................................................................... 36
Figura 25- Sistema de stuccoing automático em câmara de precipitação de grãos cerâmicos
refractários, RLM........................................................................................................................ 36
Figura 26- Laxminarayan Technologies® .................................................................................. 37
Figura 27- Forno especializado para operação de dewaxing de chama direta de gás.
NaberTherm® ............................................................................................................................. 38
Figura 28- Forno de fusão por indução e cadinho refrigerado e vazamento em vácuo. Produzido
por Consarc® .............................................................................................................................. 40
Figura 29- Esquema ilustrativo do processo de centrifugal casting. Retirado de (Committee,
Lampman et al. 2008) ................................................................................................................. 41
Figura 30- Esquema ilustrativo de um processo de countergravity low pressure vacuum casting,
bastante utilizado para o fazemnto de ligas de titânio................................................................. 42
Figura 31- Esquema sequencial e ilustrativo do processo de couter-gravity Low-pressure inert
atmosphere. Retirado de (Committee, Lampman et al. 2008)..................................................... 43
Figura 32- Esquema sequencial da técnica de vazamento de CPV, aplicado no Investment
Casting. Imagem Adaptada de (Committee, Lampman et al. 2008) ........................................... 44
Figura 34- Próteses de joelhos e ancas produzidas em ligas de titânio por Investment Casting.
(Donachie 2000).......................................................................................................................... 45
Figura 33- Amostra de produtos produzidos em ligas de titânio por investment casting. Realca-
se corpos de válvulas, fittings e turbinas, Prime Industries®...................................................... 45
Figura 35- Produto icon da empresa Stileto®, martelo de uso profissional fabricado de forma
integral por Investment Casting de uma liga de titânio. Produto final e produto pós vazamento,
knock-out, rebarbação e limpeza. Imagem da direita adaptada de um video promocional da
empresa. ...................................................................................................................................... 45
Figura 36- Rotores de turbocompressores de gases de exaustão, em liga de Titânio ao Alumínio.
(Leyens and Peters 2003)............................................................................................................ 46
Figura 37- Produto comercialmente famoso na decada de 90, havendo uma explosão das
cabeças dos ferros de golfo produzidas em ligas de titânio por investment casting. À esquerda
cabeça em liga de titânio de para driving da Pacific Golf Clubs®. À direita, modelo em cera

4
para investment casting, ainda com o macho metálico e com os gitos de alimentação. Produzido
por PING®.................................................................................................................................. 46
Figura 38- Imagem original da patente de US20040060685 A1, creditada em 2004, para a
produção de grandes componentes da indústria aeronáutica por fundição de ligas de titânio ou
aluminetos de titânio em moldações de grafite. Com vazamento por centrifugal casting. ......... 47
Figura 39- Molde em rammed graphite com o modelo em madeira, revestida por pintura
adequada, inserido. (O’Connor 2007)......................................................................................... 47
Figura 40- Aspecto de meia moldação em grafite compactada (rammed grafite) após ciclo
térmico de "queima". Moldação de rotor para utilização em ambientes agressivos. (O’Connor
2007) ........................................................................................................................................... 48
Figura 41- Imagem original, retirada da patente US 6776214 B2. Rammed Graphite com técnica
de centrifugal casting .................................................................................................................. 49
Figura 42- Corte de material adicional resultante da fundição em moldações em grafite. Imagem
retirada de (O’Connor 2007)....................................................................................................... 49
Figura 43- Peças tipicamente fundidas por moldações grafíticas ............................................... 51
Figura 44- À esquerda cabeça ou topo e à direita a caixa de uma bomba ambas fundidas em
ligas de titânio para aplicações marinhas severas. Componente utilizado pela indústria militar.
Imagem adaptada pelos autores, retirada de (O’Connor 2007)................................................... 51
Figura 45- Rotor interno produzido por vazamento em moldações grafíticas. Retirado de
(O’Connor 2007)......................................................................................................................... 51
Figura 46- À esquerda fotografia metalográfica da camada α case num Titânio cp, vazado numa
moldação de ZrO2, à direita a mesma liga e condições idênticas, mas vazada em moldação de
Alumina. (Kim, Kim et al. 2002) ................................................................................................ 53
Figura 47- Fotografia metalográfica de titânio cp vazado em moldação grafítica. (Kim, Kim et
al. 2002)....................................................................................................................................... 54
Figura 48- Defeito micorestrutural representative em ligas de titânio. Segregação de fase α
envolvendo microporosidades. Amostra de titânio cp vazada por Investment Casting (Donachie
2000) ........................................................................................................................................... 55
Figura 49- Esquema representativo de uma instalação para Tratamento por Hot Isostactic
Pressing. Adaptado pelos autores de Encyclopedia Britannica®, 1997..................................... 56
Figura 50- Armazém de peças para suporte destas no reservatório de presão. Adpatado pelos
autores de imagem de Pressure Technology® ............................................................................ 56
Figura 51- À esquerda - conjunto sistemas de HIP em ambiente industrial de elevada
produtividade, montado por Pressure Technology; á direita sistema HIP de elevada capacidade,
fabricado por EPSI® ................................................................................................................... 57

5
Figura 52- Comparação da microestrutura de uma amostra pós vazametno (à esquerda) e uma
amostra com tratamento posterior por HIP (à direita), da liga α+β Ti-6Al-4V. Verifica-se
claramente a ausência de microporosidades e porosidades de origem gasosa . (Committee,
Lampman et al. 2008) ................................................................................................................. 57

6
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Principais propriedades mecânicas (valores médios) do titânio puro, alumínio puro e
ferro puro. (MatWeb 2016 e CES Edupack 2016)........................................................................ 9
Tabela 2 – Algumas propriedades genéricas (valores médios). (CES Edupack 2016) ................. 9
Tabela 3 - Valores das propriedades específicas de resistência mecânica e rigidez à tração,
calculados a partir das propriedades mencionadas nas duas tabelas anteriores. ........................... 9
Tabela 4 - Principais propriedades térmicas do titânio puro, alumínio puro e ferro puro (valores
médios). (CES Edupack 2016)...................................................................................................... 9
Tabela 5: Propriedades mecânicas e compsição de algumas ligas de titânio. (Donachie 2000) . 12
Tabela 6 - Vantagens e desvantagens das ligas β em relação às ligas de uso comum (Leyens and
Peters 2003)................................................................................................................................. 14
Tabela 7 - Exemplos de aplicações do titânio na fuselagem....................................................... 16
Tabela 8 - Comparação de propriedades mecânicas entre o osso e algumas ligas metálicas.
(AZO Materials 2016)................................................................................................................. 17
Tabela 9: Conjunto, obtido de forma empírica, das principais ligas de titânio usadas na fundição
segundo (Nicolai and Liesner 2005) ........................................................................................... 28
Tabela 10- Parâmetros típicos de injeção para os principais materiais de confecção de modelos.
Tabela
construída pelos autores, como resultado de pesquisa em (Prasad 2012) 31
Tabela 11- Conjunto de propriedades físicas e genéricas de Blends de ceras e de poliestireno
usadas em fundição de modelos para Investment Casting. Tabela adaptada de (Boothroyd,
Dewhurst et al. 2010) , de fabricantes mencionados no capítulo 8 da referência bibliográfica.. 31
Tabela 12- Conjunto das Principais vantagens, desvantagens e aplicações das misturas de ceras
e polímeros para a obtenção de modelos consumíveis. Tabela construída pelos autores, como
resultado de pesquisa em (Prasad 2012)...................................................................................... 32
Tabela 13- Variação da rugosidade de provetes fundidos por Investment Casting e Moldações
Grafíticas antes e após Chemical Milling. Dados relativos à liga Ti-6Al-4V (Committee,
Lampman et al. 2008) ................................................................................................................. 61

7
Lista de Gráficos
Gráfico 1: Comparação do custo médio de um lote representativo de peças da indústria
aeronáutica, obtidas por: maquinagem de base, Forjamento e Fundição por Investment Casting.
(Donachie 2000).......................................................................................................................... 19
Gráfico 2 - Tensão ao elétrodo em função da distância à superfície de metal líquido (Sankar,
Satya Prasad et al. 2015) ............................................................................................................. 24
Gráfico 3- Comparação da dureza e profundidade da camada α obtida em cp Titânio (2) para
diferentes óxidos refratários. (Kim, Kim et al. 2002) ................................................................. 53
Gráfico 4- Diferença das propriedades mecânicas entre os produtos forjados, pós fundição (as
cast), e funido com tratamento posterior de HIP. Dados obtidos para a liga Ti-6Al-4V para
ensaios a temperatura ambiente de provetes sem entalhe. (Donachie 2000)............................... 58

8
1- Análise do Titânio e suas Ligas
1.1- Propriedades do Titânio Puro
O Titânio consiste no elemento metálico de número atómico 22 que se situa no período 4,
grupo 4 da tabela periódica. Foi descoberto pela primeira vez na sua forma mineral natural
ilmenite em 1791 pelo padre britânico William Gregor, e uma segunda vez pelo químico Martin
H. Klaproth na forma de rutilo. Foi isolado pela primeira vez apenas em 1910, pelo metalurgista
Matthew A. Hunter. (Britannica 2016)
O Titânio no seu estado puro pode apresentar diferentes estruturas cristalinas (formas
alotrópicas): α estável à temperatura ambiente, caracterizada por uma estrutura hexagonal
compacta (HC) e β estável a temperaturas superiores à temperatura de transição 882±2ºC,
caracterizada por uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) que resultará num aumento de
volume considerável. (Leyens and Peters 2003).
Tal como a maioria dos metais, no seu estado puro apresenta propriedades mecânicas
reduzidas. De realçar a sua tenacidade e ductilidade elevada, baixa densidade quando
comparado com o ferro, e uma tensão limite elástica superior à do alumínio, o que lhe confere
propriedades específicas bastante interessantes no que diz respeito a aplicações de
responsabilidade em que o peso seja um fator a ter em conta. Nas tabelas seguintes apresentam-
se, respetivamente, comparações entres as propriedades mecânicas, genéricas e específicas entre
o titânio puro, o ferro puro e o alumínio puro.
Figura 1 - Mineral ilmenite (Wilson 2010) Figura 2 - Mineral rutilo
(Minerals.net 2016)
Transformação
alotrópica a 882±2ºC
Figura 3 - Transformação alotrópica do Titânio (Britannica 2016)

9
Titânio (Ti) Alumínio (Al) Ferro (Fe)
Tensão limite de elasticidade (σ0.2) [MPa] 140 30 165
Tensão de Rotura (σr) [MPa] 220 80 283
Módulo de Young (E) [GPa] 116 70 200
Tensão de corte (G) [GPa] 43 26 78
Alongamento [%] 54 40 48
Tabela 1 - Principais propriedades mecânicas (valores médios) do titânio puro, alumínio puro e ferro puro.
(MatWeb 2016 e CES Edupack 2016)
Densidade [kg / m3
] 4510 2700 7895
Preço [€ / kg] 11,700 1,970 0,532
Tabela 2 – Algumas propriedades genéricas (valores médios). (CES Edupack 2016)
De realçar as duas principais propriedades específicas de relevância para projeto, a
resistência específica e a rigidez específica.
Resistência específica
(σ0.2/ρ) [MN*m / kg]
0,0310 0,0111 0,0209
Rigidez específica (E/ρ)
[GN*m / kg]
0,0257 0,0259 0,0253
Tabela 3 - Valores das propriedades específicas de resistência mecânica e rigidez à tração, calculados a partir
das propriedades mencionadas nas duas tabelas anteriores.
Para além das suas propriedades mecânicas, é importante realçar um outro conjunto de
propriedades que justificam as suas aplicações como material refratário. As suas propriedades
térmicas como alto ponto de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica (quando comparado
com outros elementos metálicos) e condutividade térmica tornam as ligas de titânio muito
atrativas em aplicações com temperaturas de serviço mais exigentes.
Temperatura de Fusão [ºC] 1670 650 1535
Condutividade Térmica [W / mK] 17 209 76
Coeficiente de Expansão Térmica [1 /
K]
8,9 22,8 12,3
Tabela 4 - Principais propriedades térmicas do titânio puro, alumínio puro e ferro puro (valores médios).
(CES Edupack 2016)
Por fim resta falar numa propriedade que, embora pouco relevante para as aplicações
deste material, é extremamente importante no seu processo de fundição: a reatividade química
no estado líquido.
Quando no estado sólido o titânio possui uma camada protetora de dióxido de titânio
(TiO2) que se forma naturalmente na presença de oxigénio, camada essa que se adere fortemente
ao titânio, é insolúvel e quimicamente impermeável e impede a ocorrência de reações químicas
com o ambiente. É por essa razão que o titânio é considerado um dos metais mais resistentes à
corrosão.

10
No entanto a situação é muito diferente no estado líquido. Sendo o titânio um material
bastante reativo e não havendo uma camada protetora a reação de oxidação dá-se muito
facilmente, tanto com oxigénio como com azoto, segundo as seguintes equações químicas.
 Ti(s) + O2(g) → TiO2(s)
 2Ti(s) + N2(g) → TiN(s)
Para além de ter afinidade química com o oxigénio e o azoto, o titânio também tem
afinidade química com alguns sólidos, nomeadamente alguns cerâmicos refratários constituídos
por Al2O3-SiO2. Esta afinidade (tanto com sólidos como com gases) revela-se um problema na
produção de peças vazadas em titânio e impossibilita a utilização dos métodos convencionais de
moldação, fusão e vazamento. (Donachie 2000)
1.2- Processo de Produção do Titânio Puro
Ao contrário do que o senso comum nos possa levar a concluir, o titânio é um dos
elementos mais abundantes na crosta terrestre, em nono lugar. Quando comparado com os
restantes elementos metálicos este é o 4º metal mais abundante, imediatamente atrás do
magnésio, que é seguido pelo ferro e o alumínio. (Buschow 2001). O seu elevado preço
mássico, cerca de 3,66 €/Kg (CES Edupack 2015), aproximadamente 6 vezes superior ao de um
aço de construção comum, deve-se então ao seu processo de extração.
Como a maioria dos metais, o titânio não se encontra na sua forma pura na natureza.
Geralmente sobre a forma de óxidos, o titânio é geralmente extraído a partir do mineral ilmenite
(composto essencialmente por FeTiO3) ou do Rutilo (forma natural mais rica de TiO2). A
maioria do titânio (cerca de 95%) é utilizado sob a forma de oxido de titânio na indústria da
pintura para fabricar tinta branca, embora também seja utilizado em, por exemplo, pastas de
dentes ou protetores solares. A principal razão para a pouca utilização do titânio como metal é a
grande dificuldade em reduzir os seus óxidos. (Leyens and Peters 2003)
Alguns dos processos para produção de titânio são: processo Hunter (desenvolvido por
Matthew Hunter), processo Kroll (desenvolvido por Wilhelm Kroll) e processo FFC Cambridge
(desenvolvido por investigadores da Universidade de Cambridge). (TitaniumExposed 2016)
Iremos abordar apenas brevemente o processo de Kroll que, apesar de não ser o mais
eficiente (categoria na qual se encaixa o processo FFC Cambridge), é ainda o mais usado. Este
processo baseia-se na redução de cloretos de titânio de forma a obter titânio puro.
O mineral original, seja ele rutilo ou ilmenite, é combinado com coque derivado de
petróleo num reator, que é então aquecido a 1000ºC. A mistura é tratada com cloro gasoso,
formando-se tetracloreto de titânio (TiCl4) e outros cloretos voláteis que são separados por
destilação fracionada. Num reator separado o TiCl4 é reduzido por magnésio (ou sódio) líquido,
formando-se titânio sólido e cloreto de magnésio líquido (que poderá ser separado em magnésio
e cloro em posterior eletrólise). O produto final é uma esponja porosa que, depois de purificada,
é martelada e derretida, solidificando depois em vácuo. É vulgar a realização de várias fusões
com posteriores solidificações na fase da purificação no sentido de remover as impurezas
resultantes do processo de redução. (Russell and Cohn 2012) Todos estes passos contribuem
para o custo final do titânio, que como já foi referido é aproximadamente 6 vezes superior ao de
um aço de construção comum. Na figura seguinte encontra-se esquematizado o processo de
Kroll.

11
Figura 4 - Esquema do processo de Kroll (TitaniumExposed 2016)
1.3- Propriedades Mecânicas e Tecnológicas das suas Ligas
Atualmente existem mais de 100 ligas de titânio, apenas das quais 20 ou 30 são
comercializadas. Destas, a clássica liga Ti-6Al-4V representa mais de 50% do uso, e outros 20
ou 30% são representados por titânio sem elementos de liga.(Leyens and Peters 2003) Estas
ligas podem ser dividas, de uma maneira mais geral, em três tipos: ligas α, ligas α-β e ligas β,
que serão igualmente e brevemente abordadas neste trabalho. No entanto, antes de o fazer,
apresentamos uma tabela com algumas ligas comerciais e semi-comerciais de titânio.

12
Tabela 5: Propriedades mecânicas e compsição de algumas ligas de titânio. (Donachie 2000)

13
1.3.1- Titânio comercialmente puro e ligas α (α and near α titanium
alloys)
Dentro das ligas α podemos distinguir o titânio ligado e não ligado (comercialmente
puro). Começando pelo titânio comercialmente puro (aproximadamente 99,98% Ti), é
importante referir que a presença de oxigénio aumenta drasticamente a resistência e diminui a
ductilidade. Apesar disso, a presença de oxigénio não muda a classificação deste tipo de
titânios, classificados como puros, embora outros elementos de liga como o ferro e o carbono já
sejam considerados impurezas dos processos de fabrico.(Leyens and Peters 2003) Os titânios
comercialmente puros dividem-se em 4 graus (por ordem ascendentes de resistência), que são
descritos abaixo.
 Grau 1
Possui a menor resistência, com tensões de rotura que vão desde 240 a 740 MPa,
e pode ser conformado a frio facilmente. Uso primariamente como revestimento
em aplicações que requerem boa resistência à corrosão mas não requerem
resistência.
 Grau 2
É a variante de titânio puro mais usada, possuindo tensões de rotura que variam
entre os 390 e os 540 MPa.
 Grau 3
Sendo uma variante mais resistente, com uma tensão de rotura mínima de 450
MPa, e ainda moderadamente deformável a frio, esta variante pode ser utilizada
para o fabrico de revestimentos finos em situações em que o peso é uma
preocupação.
 Grau 4
Possui a maior resistência, estando a tensão de rotura entre 550 e 740 MPa, e é
preferencialmente utilizado em estruturas de suporte. No entanto é possível a sua
conformação a quente (300ºC).
Existem outras, dentro das ligas α, classificadas por graus como as já expostas, das quais
podemos talvez destacar a liga de grau 7 que contém paládio (Pd) e oferece uma excelente
resistência à corrosão, ou ainda a liga de grau 12 que apesar de mais barata é aproximadamente
equivalente.
Já dentro das ligas quase α podemos afirmar que se obtém o melhor de dois mundos no
que diz respeito ao comportamento a quente, visto que estas ligas partilham o excelente
comportamento à fluência das ligas α e a resistência mecânica das ligas α-β. São estas as ligas às
quais se recorre normalmente para trabalho a altas temperaturas, sendo 550ºC uma boa
estimativa da temperatura máxima à qual estas ligas podem ser utilizadas. A primeira liga de
titânio a ser desenvolvida para trabalho a altas temperaturas foi a Ti-8-1-1 a partir da qual se
aperfeiçoaram as quantidades de elementos de liga, especialmente de alumínio e de silício,
sendo estes os elementos de liga que mais influenciam o comportamento da liga. Descobriu-se
que um elevado teor de alumínio (8% do peso na liga Ti-8-1-1) causava problemas de corrossão
sob tensão, e desde então estas ligas têm um teor de alumínio limitado a 6% do peso. Um
posterior desenvolvimento em ligas já com teor de alumínio limitado, como a liga Ti-6-2-4-2,
levaram à conclusão de que a adição de silício até 0,5% do peso melhoravam consideravelmente
o comportamento à fluência das ligas. Desde então desenvolveram-se ligas como a TIMETAL
679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo), TIMETAL 685 e TIMETAL 834 (Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-

14
0.5Mo-0.35Si), pondendo a última trabalhar a temperaturas tão altas como 600ºC. (Leyens and
Peters 2003). As propriedades de algumas destas ligas podem ser observadas na tabela 5.
1.3.2- Ligas α-β
Como já foi referido a liga Ti-6Al-4V representa mais de 50% da utilização do titânio, e
sendo esta liga constituída por duas fases (α-β) implica que as ligas α-β representam mais de
50% das ligas de titânio utilizadas. O facto da liga Ti-6Al-4V ser a mais popular advém de:
 Bom equilíbrio das suas propriedades mecânicas (como pode ser observado na
tabela 5)
 Desenvolvimento e teste intensivo
A abundância de informação sobre a liga torna-a num excelente candidato para aplicações
de elevada responsabilidade, nomeadamente na indústria aeroespacial, que é o maior
consumidor desta liga. (Leyens and Peters 2003)
Outras ligas deste tipo foram desenvolvidas para situações mais específicas, das quais as
seguintes são exemplo.
 As ligas Ti-6-6-2 e IMI 550 foram desenvolvidas de forma a obter uma elevada
tensão de limite elástico.
 A liga Ti-6-2-4-6 possui elevada tensão de limite elástico e elevada tenacidade.
As ligas Ti-6-2-2-2-2, Ti-55-24-S e Ti-17 foram pensadas para trabalhar em turbinas de
gás de motores a temperaturas à volta de 400ºC.
1.3.3- Ligas de Titânio β
As ligas metaestáveis β são as ligas com maior versatilidade de todas de titânio, e a sua
importância tem vindo a aumentar ao longo dos anos. No passado, a dificuldade na fusão,
problemas de reprodução e conservadorismo dos designers resultava numa única aplicação apra
estas ligas: o avião de reconhecimento SR-71. (Froes and Bomberger 1985) Atualmente, o
futuro destas ligas parece promissor. A utilização destas ligas (ainda pouco convencionais)
numa aplicação tem de ser bem pesada, portanto apresentamos em seguida uma tabela que
resume as vantagens e desvantagens das ligas β face às ligas de uso mais comum.
Vantagens Desvantagens
-Elevada resistência específica -Elevada densidade
-Elevada resistência -Propriedades medíocres a baixas e altas
temperaturas
-Elevada tenacidade -Elevado retorno elástico
-Elevada resistência à fadiga -Instabilidades microestruturais
-Elevada dureza -Pouco resistente à corrosão (algumas ligas)
-Baixa temperatura de forjamento -Interstícios
-Deformável a frio (algumas ligas) -Maior preço
-Fácil de tratar termicamente -Dificuldade de processamento
-Muito resistente à corrosão (algumas ligas)
-Muito resistente à combustão (algumas ligas)
Tabela 6 - Vantagens e desvantagens das ligas β em relação às ligas de uso comum (Leyens and Peters 2003)

15
As ligas β de titânio mais usadas atualmente são:
 Ti-10-2-3
Otimizada para elevada tensão de limite elástico e tenacidade.
 Beta C
Otimizada para elecada tensão de limite elástico e tenacidade.
 Ti-15-3
Facilmente deformável a frio até folhas finas.
 TIMETAL 21S
Desenvolvido para ser usada como matriz extremamente resistente à corrosão em
compósitos.
 BT 22
Pensada para uso em componentes estruturais.
 Ti 17
Pensada para uso em discos de compressão em turbinas de gás de motores.
1.4- Principais Aplicações
Sendo um material com propriedades específicas elevadas, mas com um preço elevado
também, o titânio é quase exclusivamente usado em aplicações de alta responsabilidade e/ou
onde o preço não representa um problema. Por vezes são outras propriedades, como a
biocompatibilidade, que determinam o “porquê” seu uso.
Na lista que se segue apresentamos algumas das aplicações que mais uso fazem do
titânio.
 Aplicações aeroespaciais
-Partes de motores
-Partes da fuselagem
 Aplicações biomédicas
-Implantes
 Aplicações industriais
-Indústria química
-Indústria do petróleo
-Produção de energia
 Aplicações de lazer
-Golfe
-Ténis

16
1.4.1- Aplicações aeroespaciais
Sendo a maior consumidora de titânio, a indústria aeroespacial não podia deixar de ser
mencionada neste trabalho. Como já foi mencionado, mais de 50% do titânio consumido
mundialmente é consumido por esta indústria sob a forma da liga Ti-6Al-4V e mais
recentemente das ligas TiAl. O titânio, como material com alta resistência específica, permite a
construção de aeronaves mais leves que consequentemente consomem menos combustível. Ao
mesmo tempo o titânio tem uma boa compatibilidade com plásticos reforçados com fibra de
carbono, que estão em crescente utilização na indústria aeroespacial, no que diz respeito a
problemas de resistência à corrosão e coeficiente de expansão térmica. (Boyer 1996)
O titânio é normalmente aplicado na metade frontal do motor, nas pás de compressores,
onde as temperaturas atingem valores na ordem dos 600°C. Nas pás das turbinas, onde as
temperaturas são mais altas, são utilizadas preferencialmente superligas de níquel ou ligas de
TiAl. Na imagem seguinte podemos ver as pás do primeiro andar de compressão de um motor
de avião.
Figura 5 - Pás do primeiro andar de compressão de um motor de avião. (TMS Titanium 2016)
Para além de uso nos motores, diferentes ligas de titânio são utilizadas em diferentes
partes de aeronaves. Na tabela seguinte apresentam-se algumas partes feitas em titânio e a liga
utilizada.
Material Aplicação
Ti-6Al-4V Estrutura da janela do cockpit; Wing box; Fastener
Ti-3Al-2.5V Tubos hidráulicos
Ti-10V-2Fe-3Al Trem de aterragem; Track beam
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Escape; Cone traseiro
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al Condutas
Tabela 7 - Exemplos de aplicações do titânio na fuselagem. (Boyer 1996)

17
1.4.2- Aplicações biomédicas
Uma das mais comuns áreas de utilização do titânio é na produção de implantes de ossos.
Este material é classificado como bioinerte, ou seja, não provoca reações químicas com os
tecidos ósseos ou os musculares. Esta biocompatibilidade resulta da excelente resistência à
corrosão do titânio, que não oxida na presença de fluidos corporais, e permite o crescimento de
tecido ósseo à volta dos implantes. Contrariamente a algumas ligas de aço inoxidável, o titânio
não é propício a provocar reações alérgicas nos tecidos.
As ligas mais utilizadas para este tipo de aplicação são o titânio puro e a clássica liga Ti-
6Al-4V. Para além da biocompatibilidade, estas ligas são menos caras que outra ligas menos
vulgares mas cumprem os mesmos requisitos de propriedades mecânicas. Como podemos ver na
tabela a seguir tanto a densidade como a rigidez do titânio se aproximam mais da do osso. Isto
implica implantes mais leves, que se tornam mais confortáveis para o utilizador, e menos
rígidos, o que é desejável de um ponto de vista biomecânico já que o implante tende a se
comportar de maneira mais semelhante ao osso real e ajuda a prevenir possíveis problemas de
atrofia.
Material Densidade Módulo de elasticidade
Osso cortical 2,0 g/cm3
7-30 GPa
Liga cobalto-crómio 8,5 g/cm3
230 GPa
Aço inoxidável 316L 8,0 g/cm3
200 GPa
Titânio puro 4,51 g/cm3
110 GPa
Ti-6Al-4V 4,40 g/cm3
106 GPa
Tabela 8 - Comparação de propriedades mecânicas entre o osso e algumas ligas metálicas. (AZO Materials
2016)
1.4.3- Aplicações industriais
O uso do titânio na indústria tem vindo a crescer à medida que se descobre que se podem
reduzir os custos de manutenção periódicos a equipamentos e processos pela simples utilização
deste material. A baixa densidade do titânio relativamente ao aço implica que para o mesmo
peso, a vida útil de uma estrutura em titânio pode durar até o dobro da vida da mesma estrutura
feita em aço. Além disto, como já foi mencionado várias vezes, a excelente resistência à
corrosão torna o titânio um material muito adequado a ambientes agressivos. Juntando estas
duas características tem-se um material que oferece taxas de falha muito baixas
comparativamente aos materiais usados normalmente, o que implica menos manutenção e
consequentemente menos custos.
Como exemplo podemos mencionar a indústria química onde o titânio é usado como
revestimento em reservatórios, sejam eles pressurizados ou não, sendo principalmente utilizadas
as ligas de titânio comercialmente puro.

18
Outro exemplo é a indústria do petróleo onde tubos leves, flexíveis (rigidez é
aproximadamente metade da de um aço) e resistentes à corrosão são utilizados nas plataformas
marinhas, onde podemos calcular que a tendência para oxidação é muito elevada devido ao
contacto com água salgada.
1.4.4- Aplicações de lazer
Aplicações de lazer é um dos casos em que, apesar de não ser estritamente necessário em
termos de propriedades, o titânio pode ser usado, pois nesta área o preço nem sempre representa
um problema grave. Alguns exemplos são algumas raquetes de ténis e tacos de golfe, das quais
apresentaremos em seguida fotografias.
Figura 7 - Raquete de ténis feita em titânio Figura 6 – Taco de golfe feito em titânio

19
2- Relação entre a Fundição e Forjamento
As primeiras variáveis críticas, que permitem que um projectista defina a tecnologia de
fabrico de uma dada peça são: quantidade a produzir, complexidade geométrica e requisitos
mecânicos mínimos. (website Makino®)
A possibilidade de obter peças near net shape, ou até mesmo consoante a
complexidade geométrica net shape, permite reduções de custos finais interessantes.
A maquinagem de ligas de titânio acarreta dificuldades acrescidas face as ligas de
Alumínio e Aço comuns. Tal como o aço inoxidável, este apresenta uma condutividade térmica
baixa, a dificuldade de dissipação da energia térmica gerada leva a que na ponta de corte se
possam atingir facilmente temperaturas na ordem dos 1100 ºC. Obrigando assim a sistemas de
arrefecimento eficientes (em termos de poder extractivo de calor – pressões de aplicação e
caudais elevados) e resistentes a temperaturas elevadas (não podendo ser geralmente à base de
água). De forma paralela, as pastilhas de corte terão que ser em ligas fundidas ou mesmo
sinterizados de Nitreto Cúbico de Boro por forma a evitar desgastes excessivos. Fatores estes
que de forma simultânea tornam a maquinagem do titânio e suas ligas uma operação
dispendiosa. (Machado and Wallbank 1990).
Segundo (Donachie 2000), um estudo realizado por uma empresa do ramo da indústria
aeronáutica comercial pretendia comparar custos das duas grandes famílias de processos usados
na produção de peças de Titânio, fundição, e forjamento. O lote de peças selecionadas
produzidas por forjamento de ligas de titânio originava ainda custos de maquinagem final de
cerca de 70% a 80% do custo global dos produtos. A implementação do processo de Investment
Casting reduziu esse custo relativo para cerca de 5% do custo final das peças ( havendo
obviamente um aumento do custo do processo). No gráfico seguinte pretende-se ilustrar
precisamente essa vantagem competitiva dos processos de fundição do titânio, e o porquê da
contínua aposta no seu desenvolvimento.
Uma outra propriedade mecânica/física que de algum modo favorece a prática de
produtos fundidos é o módulo de young das ligas de titânio. Em comparação com aços de fácil
embutidura (200 GPa),a conformação das ligas de titânio (116 GPa) está associada a grandes
retornos elásticos (Spring Back effect). O que dificulta a previsão e simulação do processo.
(Company 2000)
Gráfico 1- Comparação do custo médio
de um lote representativo de peças da
indústria aeronáutica, obtidas por:
maquinagem de base, Forjamento e
Fundição por Investment Casting.
(Donachie 2000)

20
3- Processos de fusão do titânio e suas ligas
Contrariamente a metais mais comuns como o aço e o alumínio, cujas ligas podem ser
vazadas ao ar, com o titânio a situação é diferente. Como já foi abordado, este material é
extremamente reativo no estado líquido tanto com gases como com refratários, e no seu
processo de fusão terão de ser tomadas medidas para limitar a possibilidade de reações.
Para isto pode-se recorrer a métodos menos convencionais de fusão, dos quais
abordaremos apenas os mais importantes e comuns para o caso do titânio, sendo eles: Induction
Skull Melting, Vacuum Arc Remelting e Electro-slag Remelting.
3.1- Induction Skull Melting
O Induction Skull Melting é um método de fundir metal num cadinho de cobre refrigerado
a água, sob condições de vácuo ou atmosfera controlada, através do uso de uma bobina de
indução também ela refrigerada a água.
O campo magnético induzido pela bobina passa pelo cadinho e induz calor na massa
metálica, fazendo-a fundir. Esse campo magnético também provoca um movimento da massa
(quando líquida) que resulta numa boa distribuição dos elementos de liga. Uma pequena parte
do metal solidifica no fundo do cadinho, formando um casco que impede a reação entre o metal
fundido e o cobre, e dificultando a passagem de calor entre o fluido quente e o cadinho frio. Se
alguns parâmetros como: tamanho do cadinho, tamanho da bobina, frequência e potência da
fonte forem devidamente escolhidos, o metal é empurrado lateralmente para dentro impedindo
que contacte com o cadinho, o que é favorável no sentido em que também diminui a
transferência de calor entre o fluido e o cadinho. (Consarc 2016) Depois de fundido o material é
vazado, ainda dentro da câmara de vácuo (ou atmosfera controlada), para dentro do molde e é
deixado arrefecer.
Apesar de possibilitar o sobreaquecimento do fluido (o que facilita o vazamento) e ser
relativamente mais barato do que os métodos que iremos abordar a seguir, este método tem
algumas limitações. A elevada agitação causada pelas correntes indutivas é propícia a causar
oxidação no metal, para além de não permitir a remoção de óxidos que são forçosamente
mantidos em suspensão na mistura. Para potências na ordem dos 10kW/kg ou superiores o
material fundido é mantido (ou quase) em suspensão no ar, o que por um lado é favorável visto
que aumenta o rendimento do processo já que o metal transfere menos calor para o cadinho, mas
por outro favorece, como já foi dito, a oxidação no metal. (Campbell 2015)

21
Nas figuras seguintes podemos ver um esquema simplificado de um sistema destes e uma
fotografia de uma fornalha que utiliza este sistema.
Figura 8 - Esquema de uma fornalha de indução (esquerda) e fotografia de uma fornalha de indução (direita)
(Consarc 2016)

22
3.2 – Vacuum Arc Melting (VAR)
Na tentativa de obter os chamados “aços limpos”, surgiu o processo de Vacuum Arc
Remelting. (Campbell 2015) O VAR é largamente utilizado na produção de peças fundidas para
aplicações de grande responsabilidade em que é necessária uma elevada integridade do material,
que resulta em maior limpeza, homogeneidade, resistência à fadiga e maior tenacidade do
produto final. (ALD Vacuum Technologies 2016)
Este processo consiste na aplicação de uma tensão alternada a um elétrodo (lingote
inicial), o que gera um arco elétrico entre o próprio lingote e a base do cadinho de cobre que
será utilizado para recolher o metal fundido. Isto resulta numa produção muito elevada de calor
na ponta do elétrodo, que faz fundir o metal que, entretanto, é recolhido no cadinho de cobre
refrigerado formando um novo lingote. Ao longo deste processo é constantemente mantido
vácuo na câmara de fusão. Um esquema simplificado de uma fornalha de VAR é mostrado
abaixo.
Figura 9 - Esquema de uma fornalha de Vacuum Arc Remelting (Patriot Special Metals 2016)
Na imagem seguinte podemos ver uma fornalha de VAR de 30 toneladas.

23
Figura 10 - Fotografia de uma fornalha de Vacuum Arc Melting (ALD Vacuum Technologies 2016)
Como já foi mencionado, o cadinho de cobre precisa de ser refrigerado, isto porque a
temperatura do material fundido poderá estar (e normalmente está) acima da temperatura de
fusão do cobre, e é necessário evitar que essa fusão aconteça.
Um pormenor importante sobre este processo está relacionado com a superfície de
contacto entre o cadinho de cobre e o material. Tal como acontece no método do Induction Skull
Melting, nesta superfície forma-se uma camada sólida do material do elétrodo que impede a
reação entre o material fundido e o cobre, que pode ser muito importante se se tratar de um
material muito reativo como é o titânio.
Em seguida apresenta-se algumas vantagens deste processo. (ALD Vacuum Technologies
2016)
 Remoção de gases dissolvidos no metal, como H2, N2 e CO
 Obtenção de solidificação direcional
 Redução de elementos residuais
 Eliminação de macro-segregação e redução de micro-segregação
 Potencial remoção de óxidos (por processos químicos e físicos)
 Potencial remoção de nitretos (por dissociação térmica ou redução pelo carbono)
 Potencial remoção de inclusões não metálicas (algumas inclusões flutuam durante
o processo de fusão e são posteriormente removidas)
Neste método alguns parâmetros devem ser devidamente controlados de maneira a obter
uma estrutura adequada à utilização. De entre estes parâmetros destaca-se a taxa de fusão, da
qual depende a orientação das colunas granulares que compõem o lingote. Para taxas de fusão
maiores as colunas granulares tendem a ficar mais paralelas ao eixo vertical, enquanto que para
taxas de fusão maiores as colunas ficam mais inclinadas em relação ao mesmo eixo. (Sankar,
Satya Prasad et al. 2015) A imagem seguinte, que mostra as colunas granulares de um lingote de
nióbio obtido por VAR, talvez possa ser usada para prever como serão as colunas granulares
num lingote de titânio.

24
Figura 11 - Macroestrutura que mostra a orientação das colunas
granulares no lingote de nióbio obtido por VAC com
menor taxa de fusão (a) e maior taxa de fusão (b)
(Sankar, Satya Prasad et al. 2015)
De notar que a taxa de solidificação não depende consideravelmente da taxa de fusão, é
maioritariamente afetada pela refrigeração do cadinho.
Outro parâmetro importante no VAC de titânio é a tensão elétrica aplicada ao elétrodo.
Ao contrário de metais como o aço, a tensão aplicada ao elétrodo de titânio depende
consideravelmente da distância entre o elétrodo e a superfície do metal líquido. O gráfico
seguinte mostra a tensão necessária à formação do arco elétrico em função da distância.
Gráfico 2 - Tensão ao elétrodo em função da distância à superfície de metal líquido (Sankar, Satya
Prasad et al. 2015)

25
Sendo que esta distância diminui ao longo do processo de fundição é necessário um
controlo apertado da tensão, pois uma tensão demasiado elevada pode levar à rutura do cadinho.
Uma taxa de fusão mais lenta é favorável é favorável no sentido em que permite um maior
controlo da distância do elétrodo ao líquido e torna-se mais fácil controlar corretamente a
tensão. (Sankar, Satya Prasad et al. 2015) Os lingotes obtidos por VAR são normalmente usados
para forjamento.

26
3.3 – Electro-slag Remelting (ESR)
De forma semelhante ao VAR, o ESR tem como objetivo a obtenção de peças fundidas
para aplicações de grande responsabilidade em que é necessária uma elevada integridade do
material, que resulta em maior limpeza, homogeneidade, resistência à fadiga e maior tenacidade
do produto final.
Este método consiste na aplicação de uma tensão elétrica a um elétrodo (tal como no
VAR) cuja ponta está mergulhada em escória líquida num cadinho refrigerado a água. A
corrente elétrica passa pela escória que aquece por efeito Joule e funde a ponta do elétrodo. À
medida que o elétrodo “pinga” e se deposita na base do cadinho, a escória sobe de nível e
mantém sempre a ponta do elétrodo mergulhada. O processo continua até o cadinho estar cheio
até ao nível desejado e se tem um novo lingote. (ALD Vacuum Technologies 2016)
Uma fina camada de escória solidifica na parede do cadinho criando uma camada
protetora de forma a que o metal não contacte diretamente com o cadinho, não arrefecendo
assim de forma tão abrupta. Uma das principais vantagens do ESR face aos outros métodos é o
facto de quase não haverem impurezas não metálicas pois à medida que as gotas de metal que
saem da ponta do elétrodo passam pela escória essas impurezas são removidas por reação
química com a escória, e dissolvem-se nela ou flutuam. (Campbell 2015) Nas imagens seguintes
podem-se observar, respetivamente, uma fotografia de uma fornalha de ESR e um esquema
simplificado que mostra os processos VAR e ESR lado a lado.
Figura 12 - Fotografia de uma fornalha de Electro-Slag Remelting (ALD Vacuum Technologies 2016)

27
Figura 13 - Esquema simplificado dos processos VAR e ESR lado a lado (Campbell 2015)
Graças ao arrefecimento menos abrupto e à falta de impurezas os lingotes obtidos por
ESR têm virtualmente zero fissuras, o que os torna muito mais fáceis de conformar
plasticamente, ao contrário dos lingotes obtidos por VAR cujo metal teve, apesar de fundido em
vácuo (este vácuo deve ser entendido como uma atmosfera rarefeita), contacto com o ar, o que
conduziu à produção de óxidos.
Neste processo a escolha da composição da escória, que é normalmente baseada em
fluoreto de cálcio (CaF2), óxido de cálcio (CaO) ou alumina (Al2O3), é de extrema importância
se se quiser aproveitar ao máximo todas as vantagens descritas acima. (Campbell 2015) Assim,
a escória tem de possuir algumas propriedades, tais como:
 Ponto de fusão menor do que o do material do elétrodo
 Eficiência elétrica
 Composição adequada às reações químicas necessárias à remoção das impurezas
do metal a fundir
 Viscosidade adequada
Para o titânio é comum a utilização de uma variante deste processo que é o VAC-ESR
que é, nada mais nada menos, que o processo de ESR normal em condição de vácuo. Deste
modo para além de se evitar a oxidação do metal ainda se consegue retirar alguns gases
dissolvidos como o hidrogénio e o azoto.

28
4- Processos de Fundição do Titânio e suas Ligas
Apesar das diversas vantagens do titânio e suas ligas analisadas até então, a fundição destas
ligas acarreta desafios específicos. Enquanto que a maioria das ligas metálicas como os ferros
fundidos, os alumínios ou as ligas de cobre tiveram uma parte da sua investigação dedicada ao
desenvolvimento de ligas para fundição, as ligas de titânio não (Nicolai and Liesner 2005).
Procurando-se sempre que possível ir de encontro às necessidades de utilização ou de projeto e
não se adaptar a uma determinada tecnologia de produção. A grande dificuldade da sua fundição
centra-se na sua fusão e vazamento. Os principais aspetos responsáveis pelas condicionantes e
adaptações tecnológicas na sua fusão e vazamento são:
 ponto de fusão elevado (1670 °C).
 grande afinidade do titânio ao oxigênio e azoto atmosféricos,
 bem como aos principais refratários usados em cadinhos.
Da mesma forma, as restantes etapas comuns a qualquer processo de fundição são realizadas
sem grandes variações em relação às restantes ligas.
Como foi já referido anteriormente, não há nenhum conjunto de ligas desenvolvidas
especialmente para fundição. Para além disso, não há nenhuma impossibilidade técnica de
vazamento de uma qualquer liga de titânio no que diz respeito a propriedades como colabilidade
ou fluidez. Contudo (Nicolai and Liesner 2005) sugere um conjunto de ligas que pelos seus
resultados empíricos se têm revelado mais adequado para esta tecnologia de fabrico.
Tabela 9: Conjunto, obtido de forma empírica, das principais ligas de titânio usadas na fundição segundo
(Nicolai and Liesner 2005)

29
4.1- Fundição em Cera Perdida (Lost Wax Investment Casting)
O processo mais utilizado a nível industrial para a obtenção de peças fundidas em ligas
de titânio é a fundição em cera perdida, designada de forma abusiva muitas vezes na literatura
da especialidade Anglo-saxônica por Investment Casting*. De maior utilização nas ligas de
alumínio será dada maior relevância a esta técnica de investment Casting.
A fundição em Cera Perdida consiste na formação de uma moldação por revestimento
ou deposição sucessivo de camadas de material cerâmico que envolvem o modelo. Sendo tanto
o modelo como a moldação destruídas no decorrer do processo. É assim adequado
intrinsecamente para peças de complexidade elevada (não é necessário desmoldar o modelo) e
com bom acabamento superficial (função da qualidade do cerâmico utilizado).
* O investment Casting representa a família de tecnologias de fundição que recorrem à
destruição do modelo para evitar a sua desmoldação, com todas as vantagens inerentes a essa
situação. Compreendendo tecnologias como Lost Wax Investment Casting (fundição em cera
perdida) ou EPS Investment Casting.
Principais passos no processo de Cera perdida:
a) Fabrico da Matriz
b) Obtenção do Modelo
c) Obtenção da Moldação
d) Remoção do Modelo
e) Queima da Moldação
f) Vazamento
g) Desmoldação e operações de Rebarbamento, Limpeza e Acabamento
a) O fabrico da matriz para injeção do modelo não acarreta nenhuma particularidade por se
destinar à fundição de ligas de titânio. Geralmente fabricados em ligas de metálicas
como Aço ou ligas de Alumínio, são obtidos em centros de maquinagem CNC, e são
adequados para a produção industrial comum. Contudo outro tipo de matrizes não
metálicas pode ser encontrado em aplicações específicas. Como exemplo temos as
matrizes de material elastomérico que são bastante usadas na indústria da joalharia
(Kobryn 1996).
Consoante o material do modelo,
os meios de acionamento
(pneumático ou hidráulico)
variam de modo a garantir os
requisitos de pressão e
velocidade de enchimento
necessários.
Figura 14 - Imagem retirada de vídeo
promocional do grupo de empresas de
fundição RLM

30
Importa realçar que a precisão dimensional e o acabamento superficial da peça final
estão em grande parte relacionados com a qualidade destes parâmetros no próprio
modelo e consequentemente na matriz. Por este motivo a injeção do modelo é
geralmente um processo altamente monitorizado, com controlo rigoroso da temperatura,
humidade relativa e ventilação da instalação.
Para peças de elevada complexidade
geométricas, as matrizes metálicas não
possuem apenas um plano de apartação
como a maioria das coquilhas ou
moldações em areia. Estes são
normalmente em grande número o que
obriga muitas vezes à sua montagem e
centragem manual. Bem como a uma
injeção individual de cada modelo.
Por fim, o recurso a matrizes múltiplas para peças de geometria simples consiste na
solução mais produtiva e consequentemente mais económica. Na figura seguinte ilustra-
se o aspeto de uma matriz para injeção de vários modelos. Notar que soluções de
acionamento pneumático, são viáveis para uma gama alargada de situações de injeção
de cera. Porém, podem ter que ser substituidos por acionamentos hidráulicos de maior
potência para o fabrico de grandes séries a elevadas cadências.
Figura 15- Matriz para injeção de ceras de elevada complexidade. Trabalho do artista
kosniak retirado do seu canal do youtube®
Figura 16- Matriz para injeção de diversos modelos. Imagens retiradas de video
promocional das Industrias Mayo®

31
b) O modelo é então obtido por injeção líquida de um material não refractário. Este pode
ser constituído por uma material polimérico ou cera. Sendo este último o material mais
utilizado. Independentemente de qual a natureza do material, por norma são injetadas
misturas (blends) destes, de modo a obter um modelo com melhores propriedades
tecnológicas e mecânicas.
As ceras dividem-se geralmente em dois grandes grupos:
 ceras microcristalinas – temperatura de fusão superior (gama alargada), maior
rigidez e resistência mecânica. Custo mais elevado e menor colabilidade.
 Parafinas – menor temperatura de fusão (52 a 68ºC), viscosidade no estado
líquido baixa, custo reduzido. Contudo apresentam contrações volúmicas na
mudança de estado superiores e menor resistência mecânica.
O termoplástico mais utilizado é seguramente o poliestireno, devido ao seu custo
reduzido, elevada estabilidade e taxa de produção.
Nas tabelas seguintes enunciam-se os principais parâmetros de injeção, aplicações e
vantagens da utilização de cada um destes materiais.
Tabela 10- Parâmetros típicos de injeção para os principais materiais de confecção de modelos.
Tabela construída pelos autores, como resultado de pesquisa em (Prasad 2012)
Material Parâmetros de Injeção
Misturas de Ceras
(Wax Blends)
Pressões típicas: 0,2 a 10 MPa
Temperaturas típicas: 40 a 70 ºC
Materiais Poliméricos
(Plastic Blends)
Pressões típicas: 28 a 140 MPa
Temperaturas típicas: 180ºC a 260 º C
Para além da diferença nos parâmetros de injeção, o custo mássico de cada um destes
materiais pode também ser um factor importante na decisão de adoptar um ou outro.
Apesar dos equipamentos e ferramentas de injeção para os termoplásticos apresentarem
maior custo, o seu custo por unidade de massa é geralmente inferior. Adequando-se
assim a produção de grandes a muito grandes séries.
Tabela 11- Conjunto de propriedades físicas e genéricas de Blends de ceras e de poliestireno usadas em fundição de modelos
para Investment Casting. Tabela adaptada de (Boothroyd, Dewhurst et al. 2010) , de fabricantes mencionados no capítulo 8 da
referência bibliográfica

32
Tabela 12- Conjunto das Principais vantagens, desvantagens e aplicações das misturas de ceras e polímeros
para a obtenção de modelos consumíveis. Tabela construída pelos autores, como resultado de pesquisa em
(Prasad 2012)
Material Desvantagens Vantagens Aplicações
Mistura de
Ceras (Ceras,
resinas,
termoplásticos
e cargas)
Propriedades Mecânicas
Inferiores
Capacidade de obter um
conjunto vasto de
propriedades por combinação
de ceras
Uso comum em
aplicações variadas
Limitações Geométricas na
espessura das paredes do
injetado
Viscosidade Baixa
Manuseamento delicado dos
modelos – operação de
soldadura onerosa
Custo do material de
ferramentas e máquinas para
Injeção mais reduzido
Blends
Poliméricas
Custo de Injeção Superior
Propriedades Mecânicas
Superiores
Adequado para
modelos de peças
com paredes muito
finas. Ex: Algumas
lâminas para
turbinas
Custo do material para
ferramentas e máquinas de
injeção elevado
Necessidade de Sistemas de
Arrefecimento das matrizes
de injeção
* no caso da injeção de ceras
é aconselhado para uso
industrial
Facilidade de manuseamento
dos modelos
Maior tendência para causar a
fratura da moldação

33
Uma vez obtido o modelo, com vista o aumento da produtividade, estes são soldados em
cachos ou árvores. É sobre este arranjo completo que será depositada/construída a
moldação em carapaça. O corpo das árvores e sistemas de alimentação e vazamento, de
modo a criar elevados níveis de repetibilidade pode ser obtido por injeção ou extrusão
de perfis standarizados. Num processo idêntico ao realizado na produção dos próprios
modelos.
De todas as etapas que constituem o investment casting, a soldadura dos modelos
individuais é a que é menos susceptível de automatização. A necessidade de mão de
obra qualificada e experiente é uma realidade bem presente na indústria do ramo ou até
nos laboratórios de investigação. A execução errada do procedimento poderá originar
entre outras situações:
 Juntas mecanicamente fracas com undercuts (absorção de material base em
excesso)
 Fratura dos modelos
 Projeção de gotas de material fundido sobre a superfície do modelo
 Desalinhamento dos modelos
(Boothroyd, Dewhurst et al. 2010)
No caso de misturas de ceras, a soldadura pode ser efectuada por ferro de soldar ou
chama de gás. Nas figuras seguintes ilustra-se um exemplo da tecnologia associada a
cada uma destas técnicas.
Para modelos de material termoplástico a técnica de soldadura usada é a soldadura por
solvente. Devido à grande capacidade de adesão geralmente é praticada apenas numa
das partes a ligar.
Figura 17- À esquerda estação de soldadura (ferro de soldar mais fonte de alimentação) da empresa
portuguesa Castro Electrônica®. À direita, bico de gás butano com regulador de chama da Mestra®

34
Segundo (Prasad 2012) já se encontram em funcionamento algumas unidades de
soldadura automáticas para obter soldaduras mais finas, com melhor propriedades
mecânicas e fundamentalmente com maior reprodutibilidade e standarização.
Geralmente para peças de pequenas dimensões e paredes muito finas, as estações
manuais são complementadas com robôs de elevada sensibilidade que substituem a
fixação humana de peças com paredes muito finas e frágeis.
Um dos poucos exemplos de elevado grau de automatização desta etapa do investment
casting é a unidade automática desenvolvida pela PMI®
Figura 18- Unidade de soldadura automatizada por sistema de automação dedicado.
Integração da MPI® com recurso a robós industriais da ABB Robotics®
Figura 19- Sequência do processo de soldadura automatizado por MPI Enterprise®
Figura 20- Sistema de fixação
automático com sensor de posição da
RoboticQ®. Adequado para o
manuseamente de peças frágeis.

35
c) Depois de devidamente montado o cacho, este é limpo numa solução de solventes
(naturalmente que não atacam cera) ou agente fluidificante que remove resíduos de
lubrificante de injeção ou cera (Donachie 2000). A Obtenção da carapaça de material
refractário introduz agora sim, particularidades específicas para a fundição de ligas de
titânio.
O processo inicia-se com o mergulho e da árvore limpa numa barbotina (slurry) inicial
mais viscosa, formada essencialmente por:
 Ligantes (binders) – sílica coloidal, silicatos de etilo, e silicato de sódio líquido
 Pós finos de refractário – Zircônia (Dióxido de Zircônio) , Ítria (óxido de Ítrio
III) , Tória (dióxido de Tório) e Zirconato de Cálcio (CaZrO3) *
 Agentes Fluidizantes e anti-espuma – Geralmente incluídos em misturas para
preparação de Barbotinas. Principal objetivo de introdução é a reprodução fiel
do modelo e evitar a existência de zonas não preenchidas.
*os refratários de utilização típica não podem ser utilizados devido ao poder redutor
superior do titânio, tendo tendência para formar óxidos de titânio mais estáveis.
Entre os refractários comuns destacam-se: sílica fundida, zircão,e silicatos de
alumínio.
O mergulho é acompanhado de uma rotação durante um intervalo de tempo pequeno de
alguns segundos, de modo a garantir o revestimento total da peça. De seguida deixa-se
escorrer o excesso de barbotina. A remoção da árvore do banho deve ser feita
cuidadosamente de modo a assegurar uma espessura uniforme da camada. Esta operação
é geralmente realizada manualmente ou com auxílio de sistemas de transporte (para
moldações de grande dimensão), mas pode também ser realizada de forma automática
por robôs industriais. Com vista a obtenção de uma maior repetibilidade do
procedimento, levando a um maior controlo de todo o processo na sua globalidade. Na
figuras seguintes ilustram-se alguns sistemas de dipping-and-draining (processo de
mergulho, rotação e escorrimento rotativo) automáticos.
Figura 21- Sistema
automático de obtenção da
carapaça para investment
casting, retirado de um
video promocional de
soluções de automação
dedicada para Investment
Casting produzidas por
ModTech India®

36
Por fim o cacho é revestido por uma camada fina de material refractário semelhante ao
adicionado na barbotina, com recurso a um sistema de precipitação de grãos (rainfall
sander) ou a um recipiente com prato poroso que faz a projeção dos grãos (fluidized
bed). Cobrindo-se totalmente a árvore, esta é deixada a secar até 3 horas, consoante o
seu tamanho, em sala com temperatura e humidade controlada (valor mínimo
recomendado 40% para a humidade relativa).
Este ciclo é repetido inúmeras vezes dependendo do tamanho do cacho, variando entre 5
a 16 repetições. Atendendo ao facto de nas camadas que não estarão em contato direto
com o metal vazado, já se poderá usar barbotinas com pó de refratário comum, menos
dispendiosas e menos viscosas. O próprio refratário usado no processo de stuccoing
também será de grão mais grosseiro, comum como a sílica fundida logo de menor custo.
Originando-se assim camadas mais permeáveis mas com maior resistência mecânica. O
objetivo destas camadas designadas por backup coats é precisamente conferir
integridade estrutural à moldação para que esta suporte as pressões metaloestáticas do
material vazado. Consoante as capacidades de armazenamento e gestão de stocks poderá
haver 3 ou mais tipos de barbotinas e grãos de refractários.
Figura 22- Sistema de
mergulho e stuccoing de
múltiplas árvores.
Automação implementada
pela Wisconsin Precision
Casting®, com recurso a
soluções da Kawasaki®
Figura 23- Vulcan Engineering
Figura 24- Sistema de stuccoing automático em câmara de
precipitação de grãos cerâmicos refractários, RLM

37
d) A operação seguinte é designada na gíria da especialidade por dewaxing e consiste na
remoção do modelo (independentemente de ser realmente de cera ou não) da carapaça.
Antes da sua remoção é importante garantir que a moldação apresenta a resistência
necessária para não fraturar devido à superior expansão térmica da cera. Para tal
recorre-se a uma secagem final de 16 a 48 horas consoante as dimensões da peça e
parâmetros da sala. Industrialmente existem atualmente dois métodos para fazer esta
extração:
 Autoclave
o Fusão da cera por pressurização rápida de uma câmara devidamente
selada por válvula
o Pressurização por vapor saturado, armazenado num reservatório
próximo (de modo a assegurar caudais elevados que permitam a rápida
pressurização)
o Maior utilização industrial
o Não compatível com modelos em material termoplástico (Ex:
Poliestireno)
o Pressões típicas: 550 a 620 KPa (atingidas em menos de 15 segundos)
o Tempo total do processo: Aproximadamente 15 min
o Elevada reciclabilidade da cera fundida
 Flash Dewaxing
o Fusão rápida da cera por introdução das moldações num forno pré-
aquecido
o Adequado para termoplásticos
o Temperatura do forno: 870 a 1095 ºC
o Reciclabilidade baixa (cera apenas utilizada para sistemas de gitagem e
alimentação)
o Necessidade de sistemas de pós-queima para diminuir a quantidade de
elementos poluentes eliminados para a atmosfera.
Figura 25- Laxminarayan Technologies®
1- Cesto de carregamento
das moldações
2- Anel de vedação
3- Autoclave
4- Sistema de Controlo
do vapor
5- Válvula de segurança

38
e) Uma vez removida a cera, procede-se à queima da Moldação. Este novo ciclo térmico
tem como principais objetivos:
 Remoção dos resíduos de cera e material orgânico das barbotinas – para tal
recorre-se a um forno de chama de gás com chama oxidante. Geralmente com
um excesso de ar até cerca de 10%.
 Remoção da umidade livre e ligada quimicamente.
 Sinterização da carapaça refratária – aumentando as suas propriedades
mecânicas finais e estabilidade. Temperaturas médias de cerca de 1000ºC
 Pré-aquecimento da moldação antes de vazar – facilitando enchimento das
zonas mais finas e complexas, bem como a replicação de detalhes.
 As temperaturas de pré-aquecimento das ligas de titânio podem variar entre 300
a 980 ºC.
(Kobryn 1996)
(Prasad 2012)
O pré-aquecimento pode ser efetuado num outro ciclo térmico. Após o
arrefecimento da moldação esta é inspecionada para identificar possíveis
fraturas. Com esta variante é possível adicionar barbotinas cerâmicas ou
cimentos especiais para reparação. A peça(s) afetada(s) provavelmente serão
sucata, contudo garante-se a sanidade das restantes. Em contrapartida há um
gasto adicional de energia para o seu aquecimento até à temperatura de pré-
aquecimento.
Figura 26- Forno especializado
para operação de dewaxing de
chama direta de gás.
NaberTherm®

39
f) Devido à elevada reatividade do titânio no estado líquido, o seu vazamento tem algumas
particularidades. Para evitar a formação de filmes de óxidos de titânio e a incorporação
de elementos da atmosfera por difusão é necessário que este seja em vácuo ou em
atmosfera controlada. Utilizando-se para tal um gás inerte de elevada pureza (valores
típicos de pureza 99,99%), geralmente Árgon.
A temperatura de sobreaquecimento é relativamente baixa – aproximadamente de 15ºC
para fusão em vácuo e 35 º C para fusão em câmara pressurizada com árgon. Esta
limitação técnica não está apenas relacionada com a elevada temperatura de fusão das
ligas de titânio (T fusão = 1680 ºC para o titânio comercialmente puro). Uma vez que se
utiliza geralmente sistemas de fusão por indução em cadinho de cobre refrigerado , de
modo a manter a integridade da camada de titânio sólido (titanium skull), o
sobreaquecimento do metal líquido está naturalmente limitado.
O vazamento dá-se geralmente em fornos de VPIC (Vacuum Precision Investment
Casting) que são maioritariamente semicontínuos. Estes são geralmente constituídos
por:
 Duas câmaras isoladas por uma válvula de vácuo.
 Uma câmara contém o metal e o sistema de fusão (geralmente por indução ou ).
Designada na literatura anglo-saxônica por melting chamber.
 Em fornos com capacidade para controlo direcional da temperatura existe ainda:
o um sistema de aquecimento adicional de aquecimento na parte superior
da câmara (geralmente por resistência eléctrica) - para criar um
gradiente de temperaturas no molde que ultrapassam a temperatura de
fusão do titânio na parte superior do molde.
o um sistema de arrefecimento por circulação de água. Localizado na
parte inferior da câmara – permitindo controlar a taxa de arrefecimento
do metal .
 A segunda câmara é destinada à carga e descarga das moldações
 Podem ser verticais ou Horizontais – consoante a disposição das câmaras
 Fusão contínua de metal sem destruição do vácuo – devido à presença de duas
câmaras
 Bombas de vácuo cuja potência (e consequente consumo) são função da
dimensão das câmaras.
 Sistema de armazenamento e injeção de gás inerte (quando apresenta a
capacidade de controlo de atmosfera)

40
Figura 27- Forno de fusão por indução e cadinho refrigerado e
vazamento em vácuo. Produzido por Consarc®
A- Immersion T/C
B- Pirómetro óptico
C- Válvula de segurança
D- Carregador
E- Câmara de fusão e
vazamento
F- Sistema de Vácuo
G- Válvula de isolamento em
vácuo
H- Câmara de carga das
moldações
I- Mold Raise/Lower

41
4.1.1- Técnicas de Vazamento específicas:
 Centrifugal Casting – Consiste na rotação da moldação, durante o vazamento, por ação
de uma plataforma de prato giratorio horizontal. Utilizada para:
o Garantir o enchimento de moldes complexos de parede fina.
Nomeadamente moldes da indústria dentária e joalharia.
o No caso de fusão por Vacuum Arc Remelting, a temperatura de
sobreaquecimento é reduzida , permitindo assim compensar a falta de
colabilidade do material vazado – limitação da temperatura de
sobreaquecimento para garantir a integridade da camada de titânio
solidificada.
o Obtenção de peças com gradientes de densidade positivos na direção
radial.
o Turbulência significativa no escoamento radial, bem como no
escoamento “em queda livre” de metal líquido que pode ser
significativo em algumas geometrias de árvores.
o Necessidade praticamente incontrolável de aplicação de tratamento de
HIP pós fundição devido à quantidade de poros gerada.
(Campbell 2015)
Figura 28- Esquema ilustrativo do processo de
centrifugal casting. Retirado de (Committee,
Lampman et al. 2008)

42
Figura 29- Esquema ilustrativo de um processo de countergravity
low pressure vacuum casting, bastante utilizado para o fazemnto de
ligas de titânio.
As técnicas seguintes de contragravidade apenas são adequados para peças de pequenas
dimensões e exigência mecânica elevada. Caso contrário o seu custo torna-se impeditivo em
termos competitivos.
 Countergravity Casting: CLV (Countergravity Low-Pressure Vacuum)
o Câmara de Fusão do metal
pressurizada com argón – sujeita
inicialmente, no início do
funcionamento do forno, a vários
ciclos de vácuo e pressurização
com Árgon para garantir
atmosfera controlada de elevada
pureza.
o Câmara de carga do(s)
molde(s) pré-aquecido(s)
também sujeita ao mesmo
procedimento, sempre
que se inicia um novo ciclo de
vazamento.
o Quando as duas câmaras estão
igualmente pressurizadas – a
moldação é transladada
verticalmente até o canal de
escoamento principal atravessar
isolamento intermédio; e válvula
de separação é aberta,
estabelecendo-se o contato entre
as duas.
o O cadinho de fusão é elevado
até o canal de alimentação de
moldação ser parcialmente
submergido. Nesse momento
isolam-se as duas câmaras
o A aplicação de vácuo na
câmara de carga, pela porosidade
existente na moldação, cria um
efeito de sucção que permite o
enchimento da moldação.
o Enchimento este controlado
pelo diferencial de pressão
imposto

43
o Quando as cavidades correspondentes às peças a produzir solidificarem (parâmetro
mais difícil de afinação) a câmara é novamente pressurizada para que o metal
contido nos alimentadores seja transferido para o banho e seja novamente utilizado.
Principais particularidades desta técnica de enchimento por Countergravity:
 Isolamento permanente entre as duas câmaras – permitindo condições
constantes no banho (câmara de fusão)
 Countergravity Casting: CLI (Countergravity Low-Pressure Inert Atmosphere)
o A fusão do metal é feita de
igual forma numa câmara com
atmosfera controlada
pressurizada com árgon
(aproximadamente a 2 atm)
o O molde pré-aquecido é agora
introduzido numa câmara
independente à qual é aplicada
vácuo.
o Depois de atingido o nível de
vácuo pretendido conecta-se
esta câmara à câmara principal
de fusão do metal. Isolando-se
também o metal fundido da
restante câmara
o Aplica-se continuamente
vácuo até ao enchimento
completo das cavidades da
moldação.
o Quando as zonas
correspondentes à peças estão
devidamente solidificadas,
interrormpe-se o vácuo para
que o metal líquido dos
alimentadores retorno ao
cadinho.
Principais particularidades CLI:
 Capacidade de operar com unidades independentes – forno de fundição
de material reativo e uma câmara de carga de moldes intermutável com
outros métodos de vazamento como o CLA (Countergravity Low-
Pressure Air)
(Committee, Lampman et al. 2008)
Figura 30- Esquema sequencial e ilustrativo do
processo de couter-gravity Low-pressure inert
atmosphere. Retirado de (Committee, Lampman
et al. 2008)

44
 Countergravity Casting: CPV (Countergravity Pressure Vacuum)
o A fusão do metal é feita da mesma forma, mas numa
câmara independente. Recorrendo a um qualquer
sistema de fusão compatível com as ligas de titânio.
o Penetração do canal de enchimento da moldação no
prato de suporte e posterior selagem.
o Aplicação de vácuo tanto na câmara contendo o molde
como na câmara envolvente de vazamento
o Introdução do cadinho de fusão na câmara principal
por abertura do sistema de isolamento da câmara de
fusão
o Pressurização da câmara de vazamento com árgon - o
diferencial de pressão entre o interior da moldação e a
superfície do banho permitirá o enchimento das cavidades da
moldação.
o Quando o metal contido nas cavidades correspondentes às
peças desejadas, interrompe-se a pressurização da câmara e o
metal que ainda está no estado líquido é devolvido ao cadinho.
o O cadinho com titânio líquido é retirado da câmara principal e
é novamente isolado na câmara de fusão. Iniciando-se um
novo ciclo
Principais particularidades do CPV(Countergravity Vacuum
Pessure):
 A força motriz do escoamento do metal fundido deve-se
à pressão exercida no metal fundido
 Logo a porosidade/permeabilidade da moldação não
influencia o seu enchimento – permitindo eliminar este
parâmetro na escolha da composição da carapaça.
 Processo de contragravidade que permite menor
porosidade interna e menores percentagens de oxigênio
no metal solidificado.
 É necessário uma câmara adicional em relação ao CLV
(câmara de vazamento ou casting chamber)
 Investimento inicial mais elevado
∴ As maioria das peças produzidas por estes
processos de contragravidade apresentam propriedades mecânicas
semelhantes a peças vazadas por gravidade e sujeitas a tratamento de HIP
posterior
Figura 31- Esquema sequencial
da técnica de vazamento de CPV,
aplicado no Investment Casting.
Imagem Adaptada de
(Committee, Lampman et al.
2008)

45
4.1.2- Principais aplicações
No compêndio de imagens seguintes destacam-se as principais aplicações das peças em
ligas de titânio produzidas por Investment Casting. Destacando-se como áreas consumidoras
principais a indústria química, marinha, ferramentas de alto valor acrescentado, desporto e
lâminas de elementos rotativos.
Figura 33- Amostra de produtos produzidos em ligas
de titânio por investment casting. Realca-se corpos de
válvulas, fittings e turbinas, Prime Industries®
Figura 34- Produto icon da empresa Stileto®, martelo de uso profissional fabricado de forma integral
por Investment Casting de uma liga de titânio. Produto final e produto pós vazamento, knock-out,
rebarbação e limpeza. Imagem da direita adaptada de um video promocional da empresa.
Figura 32- Próteses de joelhos e ancas produzidas em ligas
de titânio por Investment Casting. (Donachie 2000)

46
Figura 36- Produto comercialmente famoso na decada de 90, havendo uma explosão
das cabeças dos ferros de golfo produzidas em ligas de titânio por investment casting.
À esquerda cabeça em liga de titânio de para driving da Pacific Golf Clubs®. À direita,
modelo em cera para investment casting, ainda com o macho metálico e com os gitos
de alimentação. Produzido por PING®
Figura 35- Rotores de turbocompressores de
gases de exaustão, em liga de Titânio ao
Alumínio. (Leyens and Peters 2003)

47
4.2- Fundição em Moldes de Grafite
A tecnologia produtiva de fundição de ligas de titânio em moldes de grafite tem já a sua
aplicação industrial (comercial e militar) desde a década de 50 do presente século. Sendo o
processo mais antigo para o vazamento do titânio. Esta técnica encontrou o seu maior parceiro
precisamente na indústria militar e aeronáutica.
A fusão do titânio nestes moldes é relativamente semelhante ao processo de fundição
convencional em areia verde. Sendo contudo necessário tomar as medidas de precaução
enunciadas anteriormente, para evitar a reação do titânio com a atmosfera envolvente. De forma
análoga, os processos de fusão do titânio são transversais a todas as técnicas de fundição. Logo
o vazamento e fusão do titânio dá-se de forma semelhante à retratada pormenorizadamente para
o caso da fundição por Investment Casting. Evita-se por isso agora repetir esse tratamento,
remetendo o leitor para o capítulo 3 do presente trabalho.
Os modelos podem ser em madeira, material polimérico ou até metálicos. Consoante a
necessidade de durabilidade, resistência mecânica e precisão dimensional exigida.
Figura 38- Molde em rammed
graphite com o modelo em
madeira, revestida por pintura
adequada, inserido. (O’Connor
2007)
Figura 37- Imagem original da patente de
US20040060685 A1, creditada em 2004,
para a produção de grandes componentes
da indústria aeronáutica por fundição de
ligas de titânio ou aluminetos de titânio em
moldações de grafite. Com vazamento por
centrifugal casting.

48
O material base utilizado para a produção dos moldes é geralmente formado por :
o Pó de grafite – granulado de grafite ultra fino (dimensões médias entre 10μm a
15μm)
o Elementos ligantes orgânicos – polímero betuminoso e derivados do amido
o Água
Essa mistura é compactada em torno do modelo em caixas de moldação, recorrendo ao
auxílio de compactadores pneumáticos (pneumatic rammers). As moldações são geralmente
divididas por um plano de apartação, obtendo-se assim duas meias moldações para cada peça.
Uma vez compactada, cada meia moldação é deixada secar ao ar pelo menos 28 horas. De
modo a que durante a sua sinterização não ocorra fraturas por libertação de vapor de água. De
seguida a moldação é sujeita a um ciclo térmico de cerca de 815ºC para que os ligantes sejam
completamente consumidos e as ligações entre grãos se estabeleçam. No final da queima do
molde, espera-se um molde com propriedades mecânicas e manuseabilidade reforçadas,
adequadas à sua manipulação e à ação erosiva do vazamento do metal líquido Na figura
seguinte ilustra-se uma meio moldação após sinterização, ainda sem o sistema de alimentação e
gitagem cortados.
M
Após sinterização as moldações são limpas, os sistemas de gitagem e alimentação
cortados, e estão prontas para receber o metal vazado. Notar que o corte destes sistemas pode
ser realizado por ferramentas padrão que permitem criar alguma repetibilidade no processo. Ou
estes podem ainda ser obtidos diretamente a partir do modelo. Exigindo-se para tal modelos em
placa mais complexos.
Tal como acontecia na fundição em cera perdida, o vazamento do titânio líquido é
realizado em fornos de vácuo ou atmosfera controlada, com um sistema de fusão por indução
em cadinho refrigerado ou outra opção compatível e adequada para a situação em concreto. As
moldações grafíticas podem apresentar contrações volúmicas até 6%. (Matusevich 1998). O que
justifica a sua incompatibilidade de peças de precisão geométrica.
Ao contrário da carapaça usada no investment casting, a grafite apresenta valores de
condutividade térmica relativamente superiores (dependendo da isotropia do grão).
Considerando que a temperatura de sobreaquecimento para o titânio não é geralmente elevada,
para peças de complexidade geométrica considerável poderão ocorrer dificuldades de
enchimento da moldação.
Figura 39- Aspecto de meia moldação em
grafite compactada (rammed grafite)
após ciclo térmico de "queima". Moldação
de rotor para utilização em ambientes
agressivos. (O’Connor 2007)

49
Figura 40- Imagem original, retirada da
patente US 6776214 B2. Rammed
Graphite com técnica de centrifugal
casting
Para ultrapassar essa situação, à semelhança do investment casting, também recorre-se
geralmente a técnicas de vazamento como o centrifugal casting. Apesar de em termos teóricos
as restantes técnicas mencionadas para o caso do investment casting serem compatíveis com
esta tecnologia de fundição, o custo associado apenas justifica-se no primeiro caso. Como a
redução de custo é o parâmetro mais atraente neste processo, depreende-se facilmente que a
implementação de técnicas mais onerosas afastaria-se do ótimo econômico. No esquema
seguinte ilustra-se a principal técnica de vazamento associada à fundição de peças em
moldações grafíticas.
Uma vez solidificado o metal, este é arrefecido na câmara de vácuo no forno de fusão
até à temperatura desejada. A moldação é retirada do forno e destruída por processos comuns de
knock-out, martelo pneumático vibratório ou jato de areia (sand blasting). Para uma maior
mecanização do processo recorre-se geralmente a grelhas vibratórias (knock-out machine). Os
gitos e alimentadores são retirados por corte com chama oxiacetilênica (oxicorte). Ou ainda por
discos de corte por abrasivos de elevado rendimento como o SiC.
Figura 41- Corte de material adicional resultante da
fundição em moldações em grafite. Imagem retirada
de (O’Connor 2007)

50
Apesar dos moldes em grafite apresentarem uma grande estabilidade química, ocorrem
no entanto reações na interface entre o metal líquido e a moldação. Resultando assim numa
camada superficial de titânio contaminado com elementos grafíticos. Essa camada terá que ser
removida, tal como acontece no Investment Casting, por um processo designado por Chemical
Milling. Este tópico será abordado com maior detalhe num subcapítulo dedicado para esse
efeito.
As aplicações da fundição em moldes de grafite são de algum modo complementares às
peças geralmente fundidas por Investment Casting. As tolerâncias dimensionais e acabamentos
superficiais inferiores, são compensados pela competitividade económica das suas peças. Este
processo torna-se menos dispendioso devido a:
 Etapas e tempo de execução da globalidade do processo inferiores.
 Capital inicial de entrada semelhante a uma fundição de material convencional.
 Custo da matéria prima para o molde inferior – o custo dos óxidos refratários
pouco reativos com o titânio a elevadas temperaturas ultrapassa largamente o
custo do pó de grafite.
 Incremento do custo do processo produtivo por kg pouco acentuado. Ao
contrário do investment casting, cujo aumento do volume das peças fundidas
pode aumentar de forma exponencial o custo do produto final.
Os principais aspectos negativos da utilização de moldes de grafite podem ser
resumidos em :
 Tolerâncias dimensionais e rugosidade superficial inferiores.
 Limitação na complexidade geométrica.
 Propriedades mecânicas inferiores.
 Composição química mais heterogênea, podendo ocorrer inclusões grafíticas
(pouco frequente).
Em suma, é um processo que apesar de estar longe de poder ser considerado como uma
nova tecnologia, para peças de complexidade geométrica reduzida e pouca responsabilidade
mecânica continua a ser utilizado. Principalmente quando não são as suas propriedades
mecânicas específicas que têm maior importâncica para a aplicação. Mas sim quando se procura
a resistência à corrosão característica do titânio. É precisamente pelo que foi anteriormente
mencionado que as ligas de titânio mais vazadas por este método são as ligas de titânio
comercialmente puro - nomeadamente as ligas da classe 2 e 3. Isto porque são estas as que
apresentam a maior estabilidade em ambientes severos e agressivos quimicamente.

51
4.2.1- Principais Aplicações
Nas figuras seguintes ilustram-se algumas aplicações de peças fundidas por este
método.
Figura 43- À esquerda cabeça ou topo e à direita a caixa de uma bomba ambas
fundidas em ligas de titânio para aplicações marinhas severas. Componente utilizado
pela indústria militar. Imagem adaptada pelos autores, retirada de (O’Connor 2007)
Figura 44- Rotor interno produzido por
vazamento em moldações grafíticas.
Retirado de (O’Connor 2007)
Figura 42- Peças tipicamente
fundidas por moldações
grafíticas

52
5- Principais Defeitos das Peças Fundidas em Ligas de Titânio
Ao longo do presente relatório, já foram mencionados alguns potenciais defeitos das peças
fundidas em ligas de titânio. Determinados defeitos são transversais a qualquer liga ou técnica
de vazamento, outros resultam de especificidades de cada liga e processo.
Adotando a classificação de (Beeley 2001), os principais defeitos que ocorrem em
peças vazadas podem ser ordenados por:
 Defeitos de Forma
 Inclusões e defeitos resultantes da reação com a moldação
 Gases
 Contrações no estado líquido
 Dimensionais
 Contrações no estado sólido
 Heterogeneidade química por segregação.
A maioria dos defeitos de forma que ocorrem nas peças fundidas em titânio deve-se à sua
elevada temperatura de fusão (1670 ºC) e temperatura de sobreaquecimento bastante limitada.
Atualmente existem inúmeras técnicas para ultrapassar a baixa colabilidade natural do titânio,
tais como:
 Pré-aquecimento do molde – no caso no investment casting nem é considerado
como uma técnica adicional de melhoria do vazamento, já que é regra padrão. No
caso da fundição em moldações grafíticas esta técnica encontra-se limitada pela
refratariedade inferior em relação aos óxidos refratários usados no Investment
Casting.
 Técnicas de vazamento forçado/controlado – centrifugal casting, countergravity
low-pressure vacuum (CLV), countergravity low-pressure inert atmosphere (CLI),
countergravity pressure vacuum (CPV), entre outras.
Este tipo de defeitos podem surgir numa fase inicial de arranque de uma nova
encomenda. Contudo a sua ocorrência em produção contínua não é normal, e pode implicar a
revisão do projeto da peça.
Apesar dos diagramas de Ellingham indicarem que teoricamente o titânio fundido não
reagiria com a ítria ou zircônia, ocorrem reações de redox metal-moldação. As razões para que
tal ocorra ainda estão por provar. Havendo investigações como (Kim, Kim et al. 2002), que
apontam para a turbulência do escoamento e ação erosiva como ativadores dessas reações.
O produto destas reações tem como resultado a criação da chamada α case, comum em
muitas peças fundidas por Investment Casting. Consiste numa camada fina (não ultrapassando
os 800 μm) formada essencialmente pela fase α, rica em oxigênio e com um comportamento
mecânico muito frágil e de elevada dureza. Como se verifica no gráfico seguinte, a
profundidade e dureza desta camada depende do refratário utilizado na moldação.

53
Outros fatores são enunciados na literatura da especialidade como potenciadores da
formação deste defeito essencialmente superficial são:
 Absorção de oxigénio atmosférico na fusão do titânio – apesar do banho encontra-se em
atmosfera controlado ou em vácuo estão sempre presentes moléculas de constituintes do
ar atmosférico. No entanto, entenda-se que representa uma pequena contribuição.
 Difusão do oxigénio presente na moldação
 Endurecimento por dissolução de elementos metálicos do refratário da moldação.
(Kim, Kim et al. 2002)
Notar que estes outros fatores é que permitem justificar determinadas situações pouco
expectáveis ou mesmo incoerentes ao nível do conhecimento atual. Nomeadamente a dureza e
profundidade do endurecimento superficial, superior no caso das moldações de óxido de
zircônio em relação à alumina. Quando, segundo os diagramas de energia de formação de
Ellingham, o óxido de alumínio seria ligeiramente mais instável que a zircônia.
Gráfico 3- Comparação da dureza e
profundidade da camada α obtida
em cp Titânio (2) para diferentes
óxidos refratários. (Kim, Kim et al.
2002)
Figura 45- À esquerda fotografia metalográfica da camada α case num Titânio cp, vazado numa
moldação de ZrO2, à direita a mesma liga e condições idênticas, mas vazada em moldação de
Alumina. (Kim, Kim et al. 2002)

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