Titânio vs alumínio em peças aeroespaciais e médicas: como escolher

Titânio vs alumínio em peças aeroespaciais e médicas: como escolher

Ti-6Al-4V tem 4.43 g/cm³ e entrega 895–930 MPa de tração; 6061-T6 tem 2.70 g/cm³ e entrega 310 MPa.
Divida pela densidade e a classificação muda: Ti-6Al-4V chega a 202.0–209.9 MPa por g/cm³, 7075-T6 chega a
203.6 e 6061-T6 chega a 114.8. Toda a decisão cabe em uma linha — o alumínio 7075-T6 suporta a mesma carga
por unidade de peso que o Ti-6Al-4V, com 40% do custo do material em titânio. A pergunta, portanto, nunca
é «qual material é mais resistente». É «esta peça precisa da resistência do titânio e do seu comportamento
frente à corrosão ou à biocompatibilidade, ou apenas da sua resistência?»

Quando o titânio é realmente a escolha certa

Comece pela condição de serviço, não pela lista de materiais. O titânio ganha seu lugar quando é o próprio
ambiente de uso a apresentar os argumentos.

Duas linhas «Sim», três linhas «Talvez» e três linhas «Não». Quem chega ao titânio precisa atender a uma
das duas linhas «Sim», ou sustentar tecnicamente uma linha «Talvez». Todo o resto é pagar um prêmio por
uma propriedade que a peça não usa.

Resistência, densidade e resistência específica

Leia a linha de dureza com atenção: Grade 2 a 200–275 HB e Ti-6Al-4V a 33–36 HRC não estão na mesma escala,
portanto não os compare diretamente. O que importa é o contraste com o alumínio — 6061-T6 a 95 HB e 7075-T6
a 150 HB são as duas opções mais fáceis de usinar da tabela, e é dessa diferença que vem a maior parte do
custo do titânio.

É a coluna da resistência específica que resolve a maioria das discussões:

7075-T6 e Ti-6Al-4V ficam a menos de 1% um do outro por unidade de peso. O 2024-T4 é a escolha em alumínio
quando a resistência à fadiga importa — 20% de alongamento e 469 MPa — e é o grau usado em revestimentos
de fuselagem e estruturas de asa, razão pela qual aparece em desenhos aeroespaciais ao lado do titânio.
Grade 2 a 61.0 está longe de ambos; o argumento dele é corrosão e biocompatibilidade, não resistência.

Grade 2 ou Ti-6Al-4V

A regra é curta: resistência à corrosão sem alta resistência significa Grade 2; alta resistência com baixo
peso significa Ti-6Al-4V. Uma armadilha que vale nomear — o escoamento do Grade 2 chega a apenas 275
MPa, mais fraco que o 6061-T6. Especificar Grade 2 para uma peça estrutural muito carregada é uma
rebaixamento, não uma promoção.

O que o titânio muda na máquina

Titânio não é um material caro usinado como alumínio. É um processo diferente com regras diferentes, e são
essas regras que determinam o custo.

Quatro regras decidem se uma peça de titânio dá certo ou vira sucata:

• Baixa velocidade de corte. Grade 2 usina a 30–60 m/min e Ti-6Al-4V a 20–45 m/min. Aumentar mais apenas
  queima a ferramenta sem cortar mais rápido.
• Refrigerante por inundação é obrigatório. O titânio tem baixa condutividade térmica, então o calor
  fica na aresta de corte. Sem refrigerante por inundação a vida da ferramenta cai para minutos.
• Troque a ferramenta no primeiro sinal de desgaste. O titânio encruxa. Uma ferramenta sem fio deixa uma
  camada superficial endurecida que também destrói a próxima ferramenta. Fresas com revestimento de TiAlN ou
  diamante duram 3–5x mais.
• Cavacos finos, vários passes rasos. Mantenha pequena a profundidade radial de corte, porque cavacos
  grossos geram calor demais.

E há uma regra de segurança que não tem equivalente no alumínio: nunca use óleo de corte. Cavacos finos
de titânio podem pegar fogo, e um incêndio de titânio queima a 3000°C+ — não pode ser apagado com água
porque queima ainda mais quente. Use refrigerante por inundação à base de água e mantenha a máquina livre
de cavacos.

Acabamentos de superfície: o que funciona em cada material

Duas notas práticas. Primeira, a anodização acrescenta 10–25 µm por superfície, então em um detalhe
apertado a peça fica acima da medida depois do revestimento — usine abaixo da medida em metade da espessura
da camada anodizada antes de enviar. Segunda, a anodização do titânio é uma eletroquímica diferente da
anodização do alumínio, mesmo quando ambas são chamadas de Type II; um fornecedor que operou apenas linhas
de alumínio não está automaticamente qualificado para superfície de titânio.

Onde os compradores especificam titânio demais, e quanto isso custa

A estrutura de custos por trás da primeira linha vale a pena detalhar, porque é isso que o comprador de
fato paga: a matéria-prima de titânio custa 5–10x mais que o alumínio e 3–5x mais que o inox, a usinagem
custa 2–3x mais que o aço, e um protótipo deve ser feito primeiro em alumínio ou aço.

O que colocar no desenho

1. O grau e o estado juntos — Ti-6Al-4V ou Grade 2, e se é recozido, solubilizado ou envelhecido.
   «Titânio» sozinho deixa a resistência em aberto.
2. O ambiente — água salgada, contato com o corpo, spray químico. Se nenhum desses se aplica, registre
   isso no desenho; é a forma mais rápida de justificar uma alternativa em alumínio.
3. A carga e sua direção — se a peça não é carregada acima de 503 MPa, o alumínio 7075-T6 cobre.
4. O acabamento — anodização Type II, PVD ou material puro, definido antes de a peça ser cotada, porque a
   anodização altera as dimensões.
5. O caminho do protótipo — se a peça ainda está em desenvolvimento, usine o primeiro exemplar em
   6061-T6 e mude para o titânio só depois que o projeto estiver congelado.