Compósitos de matriz de titânio reforçados com carga biogênica

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8700 (2022) Citar este artigo

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Novos compósitos de matriz metálica (MMCs) foram fabricados com matriz Ti6Al4V e uma carga cerâmica biogênica na forma de terra de diatomáceas (DE). Misturas de pós de DE e Ti6Al4V foram consolidadas pelo método de sinterização por faísca (SPS). A microestrutura das amostras consolidadas foi investigada com técnicas microscópicas e XRD. As características termomecânicas foram obtidas usando técnicas de pequenas amostras. Os resultados obtidos indicam que os compósitos fabricados apresentam excelentes propriedades mecânicas e térmicas devido aos efeitos sinérgicos entre a carga e a matriz (além da regra das misturas).

Os compósitos de matriz metálica (MMCs) são uma nova classe de materiais de engenharia com propriedades mecânicas e funcionais ajustáveis1. Uma das matrizes de MMCs mais utilizadas é o titânio e as ligas de titânio, como o Ti6Al4V2 bifásico.

Reforços amplamente utilizados de compósitos à base de ligas de Ti relatados na literatura são: TiB, TiC, TiB2, TiN, B4C, ZrC, SiC, Al2O3 e nanotubos de carbono3,4,5,6,7. Devido à alta reatividade química do Ti durante o processo convencional de metalurgia do lingote, mas também para reduzir o custo e a perda de material no processo de fabricação, o método comumente empregado de fabricação de TMC com carga descontínua (partículas ou fibras curtas) é a metalurgia do pó (PM )8,9,10. Os principais parâmetros que garantem um bom desempenho do compósito são a dispersão homogênea do reforço e a alta adesão à matriz.

Dependendo do reforço e das reações da matriz, os métodos de fabricação ex-situ e in-situ podem ser diferenciados11. Compósitos com cerâmica termodinamicamente estável, como SiC, TiC, TiB ou ZrC, são processados ​​ex-situ. Esta rota não altera o tamanho das partículas nem a sua morfologia e resulta em propriedades mecânicas superiores (resistência ao desgaste e coeficiente de atrito em condições de deslizamento a seco, etc.). A reatividade da matriz de titânio com boro, carbono e nitrogênio permite o processamento in situ. A melhor ligação interfacial obtida pelos métodos in-situ resulta em melhor desempenho tribológico desses compósitos.

Além disso, existem duas abordagens possíveis de MMC em PM, conhecidas como método elementar misturado (BE) e método de pó pré-ligado (PA)8,12. Os elementos obtidos pelo método BE apresentam propriedades mecânicas inferiores, enquanto as propriedades mecânicas dos MMCs em PM fabricados pelo método PA são comparáveis ​​aos produzidos com ligas de Ti8.

A liga Ti6Al4V forjada apresenta resistência à tração na faixa de 850–1200 MPa, com ductilidade entre 3 e 26%8,13,14,15,16. A resistência à tração do PM Ti6Al4V depende da porosidade e da microestrutura.

Elemento sinterizado por BE confere resistência na faixa de 750 a 900 MPa8,17,18,19,20 com alongamento de 3 a 13%8,17,18,19,20. PA Ti6Al4V exibe uma ampla gama de propriedades de tração – 700 a 1070 MPa com 7,5–21% para ductilidade8,17,21,22,23,24. O maior limite de resistência é obtido para elementos PA com 100% de densidade25.

Ti também é conhecido por reagir com Si, e devido ao efeito benéfico da adição de Si na oxidação e resistência à fluência das ligas Ti-X-Si, os sistemas Ti-Si continuam a atrair interesse tecnológico26,27. O diagrama de fase de equilíbrio indica cinco fases silicidas, quatro totalmente estequiométricas (TiSi2, TiSi, Ti5Si4 e Ti3Si) e uma não estequiométrica (Ti5Si3). Os silicetos metálicos, dentre os compostos intermetálicos, são geralmente considerados como conferindo boas propriedades mecânicas/físicas28.

A fonte potencial de Si pode ser a sílica (SiO2) que ocorre em diferentes tipos, ou seja, sílica pirogênica, sílica precipitada de silicatos alcalinos, argilas, vidro, bem como sílica da dissolução de minerais29,30,31,32,33,34 ,35,36.