Compósitos de matriz de titânio reforçados com carga biogênica

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 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 diatomácea (DE). Misturas de pós DE e Ti6Al4V foram consolidadas pelo método de sinterização por plasma centelhado (SPS). A microestrutura das amostras consolidadas foi investigada com técnicas microscópicas e DRX. 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 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 de lingotes, 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 das reações de reforço e matriz, os métodos de fabricação ex situ e in situ podem ser distinguidos . Compósitos com cerâmicas termodinamicamente estáveis, 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) . Os elementos obtidos pelo método BE apresentam propriedades mecânicas inferiores, enquanto as propriedades mecânicas dos MMCs em PM fabricados pelo método PA são comparáveis ​​àquelas produzidas com ligas de Ti8.

A liga forjada Ti6Al4V 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. O PA Ti6Al4V exibe uma ampla gama de propriedades de tração - 700 a 1070 MPa com 7,5–21% de ductilidade8,17,21,22,23,24. O limite superior de resistência é obtido para elementos de PA com 100% de densidade25.

Sabe-se também que o Ti reage com o Si e, devido ao efeito benéfico da adição de Si na oxidação e na resistência à fluência das ligas Ti-X-Si, os sistemas Ti-Si continuam a atrair interesse tecnológico . O diagrama de fases de equilíbrio indica cinco fases de siliceto, quatro totalmente estequiométricas (TiSi2, TiSi, Ti5Si4 e Ti3Si) e uma não estequiométrica (Ti5Si3). Os silicietos metálicos, entre os compostos intermetálicos, são geralmente considerados como conferindo boas propriedades mecânicas/físicas .

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 proveniente da dissolução de minerais29,30,31,32,33,34 ,35,36.