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https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4353| Tipo: | Tese |
| Título: | Efeito do tempo de moagem de alta energia e da carga de compactação na microestrutura e nas propriedades mecânicas de ligas TI-SI-B produzidas por metalurgia do pó |
| Autor(es): | SILVA, Eduardo Serafim |
| Primeiro Orientador: | SACHS, Daniela |
| metadata.dc.contributor.advisor-co1: | SARAIVA, Alfeu |
| Resumo: | As ligas de titânio apresentam ampla aplicação tecnológica em razão de sua elevada resistência mecânica específica, baixa densidade e excelente resistência à corrosão, características que as tornam particularmente atrativas para setores como o aeroespacial, biomédico, químico e energético. A possibilidade de modificação controlada dessas propriedades por meio da adição de elementos de liga amplia significativamente seu campo de aplicação. Entre os elementos de liga mais investigados, o silício (Si) e o boro (B) exercem influência relevante sobre a microestrutura e o comportamento mecânico do titânio, contribuindo para o aumento da dureza, da resistência ao desgaste, da estabilidade térmica e para o refinamento de grão. A combinação desses elementos resulta em ligas do sistema Ti–Si–B com microestruturas mais homogêneas e desempenho superior em ambientes severos. Nesse contexto, esta tese teve como objetivo estudar a influência do tempo de moagem de alta energia e da carga de compactação sobre a microestrutura, densificação, porosidade e propriedades mecânicas das ligas Ti-2Si-1B e Ti-6Si-3B obtidas por metalurgia do pó. As ligas foram produzidas a partir de pós elementares de titânio, silício e boro, processados por moagem de alta energia em moinho planetário, com rotação de 200 rpm, razão massa/bola de 1:20 e tempos de moagem de 4 e 8 horas, visando a homogeneização da mistura. Após a moagem, os pós foram compactados sob diferentes cargas e submetidos à sinterização a 1250 °C por 4 horas, condição definida com base em análises térmicas diferenciais e termogravimétricas, que indicaram a ocorrência das principais transformações microestruturais nessa faixa de temperatura. A caracterização dos materiais foi realizada por meio de microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia por dispersão de energia, difração de raios X, análises granulométricas, ensaios de densidade e porosidade pelo método de Arquimedes, microdureza Vickers, nanoindentação para determinação do módulo de elasticidade e ensaios de molhabilidade. Os resultados mostraram que, após 4 horas de moagem de alta energia, ambas as ligas apresentaram distribuição de tamanho de partículas predominantemente unimodal, com maior concentração em torno de 50 μm, indicando que a mistura mecânica foi o mecanismo dominante nessa etapa do processamento. Para a liga Ti-6Si-3B, o maior teor de elementos secundários favoreceu uma distribuição granulométrica mais estreita, evidenciando maior eficiência da moagem. O aumento do tempo de moagem para 8 horas resultou em tendência à aglomeração das partículas e maior dispersão dos tamanhos, comportamento atribuído à elevada fração de titânio dúctil associada à alta energia empregada, favorecendo a soldagem a frio. As análises de difração de raios X após a moagem indicaram predominância da fase α-Ti, com deslocamento e alargamento dos picos à medida que aumentaram o teor de Si e B e o tempo de moagem, evidenciando a introdução de tensões na rede cristalina e a eficácia da mistura mecânica. Após a compactação e sinterização, as densidades das ligas variaram entre aproximadamente 3,37 e 3,94 g/cm³, enquanto a porosidade aparente situou-se entre 11 e 24%, valores típicos de materiais à base de titânio obtidos por metalurgia do pó. Verificou-se que maiores tempos de moagem e maiores cargas de compactação promoveram redução da porosidade e aumento da densidade, em função do melhor empacotamento das partículas e da redução do volume de vazios. As análises de difração de raios X das amostras sinterizadas revelaram a formação de fases intermetálicas como Ti₆Si₂B e TiB, além da matriz de titânio sólido-solução, sendo a fase TiB mais pronunciada na liga Ti-6Si-3B devido ao maior teor de boro. Os ensaios de microdureza indicaram valores médios entre aproximadamente 400 e 720 HV, com aumento significativo da dureza para a liga Ti-6Si-3B, refletindo a maior fração de fases duras presentes. Os resultados de nanoindentação mostraram módulos de elasticidade compatíveis com ligas Ti–Si–B reportadas na literatura, com dispersão associada à heterogeneidade microestrutural e à porosidade residual inerente ao processo de metalurgia do pó. Os ensaios de molhabilidade indicaram comportamento hidrofílico para todas as composições analisadas. De forma geral, os resultados demonstram que as ligas Ti–Si–B de baixo teor, produzidas por moagem de alta energia e metalurgia do pó, apresentam microestruturas homogêneas e propriedades mecânicas adequadas para aplicações em ambientes severos, destacando a importância do controle criterioso dos parâmetros de processamento na obtenção de materiais com desempenho otimizado. |
| Abstract: | Titanium alloys are widely used in advanced technological applications due to their high specific mechanical strength, low density, and excellent corrosion resistance, making them particularly attractive for the aerospace, biomedical, chemical, and energy sectors. The controlled addition of alloying elements allows tailoring of their properties and significantly expands their range of applications. In this context, silicon (Si) and boron (B) stand out for their pronounced influence on the microstructure and mechanical behavior of titanium, promoting increased hardness, wear resistance, thermal stability, and grain refinement. The combined addition of these elements results in Ti–Si–B alloys with more homogeneous microstructures and superior performance under severe service conditions. The objective of this doctoral research was to investigate the influence of high-energy milling time and compaction load on the microstructure, densification, porosity, and mechanical properties of Ti-2Si-1B and Ti-6Si-3B alloys produced by powder metallurgy. The alloys were synthesized from elemental titanium, silicon, and boron powders processed by high-energy milling in a planetary mill at a rotational speed of 200 rpm, using a ball-to-powder mass ratio of 1:20 and milling times of 4 and 8 hours to promote homogeneous mixing. After milling, the powders were compacted under different loads and sintered at 1250 °C for 4 hours, a condition established based on differential thermal and thermogravimetric analyses, which indicated the occurrence of the main microstructural transformations within this temperature range. Material characterization was performed using scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy, X-ray diffraction, particle size analysis, density and porosity measurements by the Archimedes method, Vickers microhardness testing, nanoindentation for elastic modulus determination, and wettability tests. The results showed that after 4 hours of high-energy milling, both alloys exhibited a predominantly unimodal particle size distribution, with a higher concentration around 50 μm, indicating that mechanical mixing was the dominant mechanism during this processing stage. For the Ti-6Si-3B alloy, the higher content of secondary elements led to a narrower particle size distribution, demonstrating increased milling efficiency. Increasing the milling time to 8 hours resulted in a tendency toward particle agglomeration and broader size distributions, attributed to the high fraction of ductile titanium combined with the high energy input, which favored cold welding. X-ray diffraction analyses revealed the predominance of the α-Ti phase after milling and the formation of intermetallic phases such as Ti₆Si₂B and TiB after sintering, with TiB being more pronounced in the Ti-6Si-3B alloy. The sintered densities ranged from approximately 3.37 to 3.94 g/cm³, with apparent porosity between 11% and 24%. Mechanical testing indicated microhardness values between 400 and 720 HV and elastic moduli consistent with values reported in the literature. Overall, the results demonstrate that low-alloy Ti–Si–B systems produced by high-energy milling and powder metallurgy exhibit homogeneous microstructures and mechanical properties suitable for applications in severe environments, highlighting the importance of careful control of processing parameters. |
| Palavras-chave: | Ligas de titânio Moagem de alta energia Metalurgia do pó Microestrutura |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALÚRGICA |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Editor: | Universidade Federal de Itajubá |
| Sigla da Instituição: | UNIFEI |
| metadata.dc.publisher.department: | IFQ - Instituto de Física e Química |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Ciência e Engenharia de Materiais |
| Citação: | SILVA, Eduardo Serafim. Efeito do tempo de moagem de alta energia e da carga de compactação na microestrutura e nas propriedades mecânicas de ligas TI-SI-B produzidas por metalurgia do pó. 2025. 82 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025. |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4353 |
| Data do documento: | 30-Ago-2025 |
| Aparece nas coleções: | Teses |
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