Tecnologia de Métodos de Usinagem e Controle da Integridade da Superfície para Ligas de Titânio Aeroespaciais

Análise dos Processos de Usinagem de Ligas de Titânio com Base nas Características de Usinagem, Ferramentas, Fixação e Parâmetros de Corte, com uma Introdução às Técnicas de Controle da Integridade da Superfície

Engenheiro Sênior Huang Qiang

1. Introdução

Nos últimos anos, a demanda por ligas de titânio na indústria de manufatura aeronáutica aumentou significativamente. As ligas de titânio são amplamente utilizadas em grandes aeronaves. Como um excelente material de fabricação para aeronaves e motores, as ligas de titânio apresentam alta resistência estrutural, baixo peso e boa resistência à corrosão. A usinabilidade dos materiais de liga de titânio frequentemente resulta em baixa integridade da superfície da peça após a usinagem. Abaixo, os métodos de usinagem e as tecnologias de controle da integridade da superfície para ligas de titânio aeroespaciais são introduzidos a partir dos aspectos das características de usinagem, ferramentas de corte, seleção de fixação e parâmetros de corte.

2. Características e Aplicações de Ligas de Titânio

Na indústria aeronáutica, as ligas de titânio são principalmente utilizadas para fabricar componentes como discos de compressores de motores, pás de ventiladores ocas, discos de turbinas e carcaças, bem como peças estruturais como trem de pouso de grandes aeronaves, seções externas das asas, revestimentos da fuselagem, portas, sistemas hidráulicos e seções traseiras da fuselagem. Atualmente, a proporção de uso de ligas de titânio na indústria aeronáutica aumentou de 6% para mais de 15%. O Boeing 777 utiliza 7%–9% de peças de liga de titânio; para alcançar uma redução de 20% no consumo de combustível, aproximadamente 2 bilhões de RMB foram investidos no desenvolvimento do Boeing 787 especificamente para pesquisar a substituição de ligas de alumínio por ligas de titânio em certas partes da aeronave, resultando em um teor de liga de titânio de 15% na estrutura do Boeing 787. Em projetos domésticos de grandes aeronaves, o uso de ligas de titânio aumentou gradualmente de 4,8% no jato regional ARJ21 para mais de 9% no avião de corredor C919.

As demandas por redução de peso estrutural e alta resistência no campo da aviação tornam-no cada vez mais dependente de ligas de titânio. Com base na resistência e no desempenho em altas temperaturas, as ligas de titânio podem ser classificadas em ligas de titânio α, ligas de titânio β, ligas de titânio α+β e compostos intermetálicos de titânio-alumínio, entre os quais as ligas de titânio α+β (como Ti6Al4V) são as mais amplamente utilizadas. As ligas de titânio α têm boa soldabilidade térmica e forte resistência à oxidação, mas tenacidade média; as ligas de titânio β têm melhor forjabilidade, conformabilidade a frio e capacidade de endurecimento por tratamento térmico; as ligas de titânio α+β possuem boa tenacidade, são soldáveis e podem ser endurecidas por tratamento térmico, e têm boa resistência à fadiga.

A composição do material Ti6Al4V inclui principalmente Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu e pequenas quantidades de N, H, B e Y. As ligas de titânio possuem excelentes propriedades mecânicas abrangentes, baixa densidade e boa resistência à corrosão. Como um material de liga de alta resistência, elas têm sido continuamente promovidas para uso em motores aeronáuticos e na indústria da aviação. No entanto, as altas temperaturas e as altas forças de corte durante a usinagem de ligas de titânio levam ao endurecimento severo da superfície usinada, exacerbando o desgaste da ferramenta e resultando em baixa usinabilidade. Esses fatores são prejudiciais para alcançar uma boa qualidade da superfície e afetam a vida útil dos componentes de liga de titânio e o desempenho do motor. Abaixo, usando Ti6Al4V como objeto de pesquisa e combinando a experiência acumulada na prática de produção, o desempenho de corte, os métodos de usinagem e as técnicas de inspeção de superfície para peças de liga de titânio são introduzidos.

3. Métodos de Usinagem de Ligas de Titânio

3.1 Seleção de Ferramentas

Os materiais das ferramentas para usinagem de ligas de titânio devem ter características como boa tenacidade, dureza a quente, dissipação de calor e resistência ao desgaste. Além disso, as ferramentas devem atender a requisitos como arestas de corte afiadas e uma superfície lisa. Ao usinar materiais de liga de titânio, as ferramentas de metal duro com boa condutividade térmica e alta resistência são preferidas, apresentando um pequeno ângulo de saída e um grande ângulo de folga. Para evitar lascamento e quebra da ponta da ferramenta, a aresta de corte na ponta deve ter uma transição arredondada. A aresta de corte deve ser mantida afiada durante a usinagem para facilitar a remoção oportuna de cavacos e evitar a adesão de cavacos.

Ao usinar ligas de titânio, para evitar reações de afinidade entre o substrato/revestimento da ferramenta e a liga de titânio, o que aceleraria o desgaste da ferramenta, os carbonetos contendo titânio e as ferramentas de revestimento à base de titânio são geralmente evitados. Anos de prática de produção descobriram que, embora as ferramentas de carboneto contendo titânio sejam propensas à adesão e ao desgaste, elas possuem excelente capacidade de resistência ao desgaste por difusão, especialmente durante o corte em alta velocidade, onde seu desempenho é significativamente melhor do que as ferramentas de carboneto do tipo YG.

Os principais fabricantes globais de ferramentas introduziram pastilhas de corte especificamente para usinagem de peças de liga de titânio. Melhorias contínuas nos materiais das ferramentas e nos materiais de revestimento têm aprimorado a eficiência de corte dos materiais de liga de titânio e promovido o desenvolvimento da indústria de ligas de titânio. Por exemplo, as pastilhas IC20 da ISCAR, com arestas de corte afiadas, são adequadas para o acabamento de peças de liga de titânio. Suas pastilhas IC907 melhoram efetivamente a resistência ao desgaste, adequadas para desbaste e semiacabamento. Os CP200 e CP500 da SECO para usinagem de ligas de titânio são materiais de pastilhas de grão ultrafino e alta dureza, utilizando a tecnologia de Deposição Física de Vapor (PVD). Os WSM30, WSM20 e WAM20 da Walter, utilizando revestimentos TiCN, TiAlN, TiN e Al₂O₃, oferecem forte resistência à deformação e ao desgaste. Ferramentas e revestimentos comumente usados para usinagem de ligas de titânio são mostrados na Tabela 1.

De acordo com as estatísticas, o setor de manufatura aeronáutica depende em grande parte de ferramentas importadas, e a dependência é ainda maior para materiais difíceis de usinar, como ligas de titânio. Portanto, promover o desenvolvimento e a aplicação de ferramentas e materiais de revestimento domésticos é uma maneira eficaz de resolver fundamentalmente o problema da usinagem de ligas de titânio na China.

3.2 Desgaste da Ferramenta e Soluções

Ao usinar ligas de titânio em altas velocidades de corte e grandes profundidades de corte, forma-se um desgaste de cratera (desgaste de flanco) na face de saída no ponto de temperatura de corte mais alta, com uma faixa distinta entre a cratera e a aresta de corte. A largura e a profundidade da cratera se expandem gradualmente à medida que o desgaste progride, reduzindo a rigidez da aresta de corte, potencialmente levando ao lascamento se a ferramenta continuar a ser usada. Micrografias eletrônicas do desgaste da pastilha são mostradas na Figura 1.

a) Desgaste de cratera com fenômeno de lascamento.    b) Desgaste de flanco

c) Borda postiça

Durante a usinagem de ligas de titânio, a fricção severa entre a pastilha e a peça de trabalho causa desgaste na face de folga perto da aresta de corte, formando uma pequena faixa de desgaste com ângulo de folga zero, conhecido como desgaste de flanco. Além disso, devido ao endurecimento por trabalho das ligas de titânio, a espessura de corte na ponta da ferramenta na aresta de corte menor diminui gradualmente, fazendo com que a aresta de corte deslize, o que também leva a um desgaste significativo na face de folga.

Após a ocorrência do desgaste da ferramenta, parâmetros de corte como velocidade de corte e taxa de avanço podem ser ajustados observando a morfologia e a cor do cavaco, bem como a força, o som e a vibração da máquina-ferramenta, para controlar o desgaste anormal da face de saída. O uso de geometrias de pastilhas com ângulo de saída positivo, a seleção de materiais de pastilhas ou revestimentos resistentes ao desgaste, pode melhorar a vida útil da ferramenta.

A borda postiça (BUE) é propensa a se formar durante a usinagem de ligas de titânio. Quando a BUE é estável, ela pode proteger a ferramenta atuando como a aresta de corte. No entanto, quando a BUE cresce até uma certa extensão, seu topo se estende além da aresta de corte, aumentando o ângulo de saída de trabalho real. O acúmulo e o desprendimento da BUE afetam diretamente a precisão da usinagem. Fragmentos de BUE aderindo à superfície usinada da liga de titânio formam pontos duros e rebarbas, afetando a qualidade da superfície. A queda irregular e a regeneração da BUE causam flutuações na força de corte, levando a vibrações e afetando a vida útil da ferramenta. Os métodos comuns na prática de produção para reduzir ou evitar a formação de BUE no corte de ligas de titânio incluem: aumentar a velocidade de corte, aumentar gradualmente a profundidade de corte até o ideal; usar materiais de pastilhas revestidas por PVD; empregar sistemas de resfriamento de alta pressão, etc.

Em operações de corte, devido à baixa plasticidade das ligas de titânio, a área de contato entre o cavaco e a face de saída é pequena, e o desgaste da ferramenta ocorre principalmente na face de saída da ferramenta de torneamento. Portanto, as pastilhas de corte devem ser selecionadas com um pequeno ângulo de saída, tipicamente de 0° a 5°. Um pequeno ângulo de saída aumenta efetivamente a área de contato entre o cavaco e a face de saída, ajudando a dissipar o calor concentrado perto da aresta de corte. A seleção de um ângulo de folga de 5° a 10° pode reduzir o atrito entre a ferramenta e a peça. A escolha de uma combinação de superfície de contato em forma de V entre a base da pastilha e o porta-ferramenta, um projeto de estrutura de fixação robusta, pode efetivamente melhorar a rigidez de fixação do porta-ferramenta, eliminar a vibração da ferramenta e melhorar a qualidade da superfície da peça de trabalho de liga de titânio usinada.

3.3 Seleção de Fixação

Ao posicionar e fixar peças de trabalho de liga de titânio, a interação entre a força de fixação da fixação e a força de suporte na peça de trabalho pode causar deformação por tensão no estado livre. A resistência à força de corte durante a usinagem de liga de titânio é significativa, portanto, o sistema de processo deve ter rigidez suficiente. A estrutura de posicionamento e as dimensões da peça de trabalho precisam ser analisadas, selecionando pontos de referência estáveis e confiáveis e adicionando suportes auxiliares ou usando sobre-restrição, se necessário, para aumentar a rigidez da peça. Como as ligas de titânio são propensas à deformação, a força de fixação não deve ser excessiva; uma chave de torque pode ser usada, se necessário, para garantir uma força de fixação estável. Além disso, ao usar fixações para posicionar e fixar peças de liga de titânio, garanta um bom ajuste entre a superfície de localização da fixação e a superfície de localização da peça de trabalho, e equilibre a força de fixação da fixação com a força de suporte da peça de trabalho. Para superfícies de fixação relativamente grandes, um método de fixação distribuída deve ser usado o máximo possível para evitar a deformação causada pela pressão concentrada. Os pontos de fixação das garras da fixação devem estar o mais próximo possível da superfície usinada da peça de trabalho para reduzir a vibração gerada durante o corte de liga de titânio.

O uso de fixações, ferramentas de medição ou várias ferramentas temporárias contendo chumbo, zinco, cobre, estanho, cádmio ou metais de baixo ponto de fusão é estritamente proibido para usinagem de liga de titânio. Equipamentos, fixações e ferramentas usados para liga de titânio devem ser mantidos limpos e não contaminados. As peças de trabalho de liga de titânio devem ser limpas imediatamente após a usinagem, e resíduos de chumbo, zinco, cobre, estanho, cádmio, metais de baixo ponto de fusão, etc., não são permitidos nas superfícies de liga de titânio. Recipientes de transferência especiais devem ser usados ao mover e manusear peças de trabalho de liga de titânio para evitar misturá-las e armazená-las com peças de trabalho de outros materiais. Ao inspecionar e limpar superfícies de liga de titânio finamente usinadas, use luvas limpas para evitar contaminação por óleo e impressões digitais, o que poderia causar fissuras por corrosão sob tensão e afetar o desempenho de serviço da peça de trabalho de liga de titânio.

3.4 Parâmetros de Corte

Os principais parâmetros de corte para ligas de titânio são velocidade de corte, taxa de avanço e profundidade de corte, sendo a velocidade de corte o principal fator que afeta sua usinabilidade. Testes comparativos entre corte com velocidade de rotação constante e corte com velocidade de superfície constante de peças de trabalho de liga de titânio indicam que o corte com velocidade de rotação constante tem um desempenho pior do que o corte com velocidade de superfície constante. Quando a velocidade de corte vc = 60 m/min, taxa de avanço f = 0,127 mm/rev e profundidade de corte ap = 0,05–0,1 mm para ligas de titânio, uma camada endurecida raramente é encontrada na superfície da liga de titânio.

Como a camada endurecida aparece principalmente na superfície da peça de trabalho após o acabamento, a profundidade de corte durante o acabamento não deve ser muito grande, caso contrário, ela gerará calor de corte significativo. O acúmulo de calor de corte pode causar alterações na estrutura metalográfica da superfície da liga de titânio, gerando facilmente uma camada endurecida na superfície da peça. Uma profundidade de corte excessivamente pequena pode causar atrito e extrusão na superfície da peça de trabalho, levando ao endurecimento por trabalho. Portanto, durante a usinagem de peças de trabalho de liga de titânio, a profundidade de corte para acabamento deve ser maior do que o tamanho do hone (preparação da aresta) da ferramenta.

A seleção da taxa de avanço para ligas de titânio deve ser moderada. Se a taxa de avanço for muito pequena, a ferramenta corta dentro da camada endurecida durante a usinagem, levando a um desgaste mais rápido. A taxa de avanço pode ser selecionada com base em diferentes raios de ponta da ferramenta. O acabamento geralmente seleciona uma taxa de avanço menor porque uma taxa de avanço grande aumenta as forças de corte, fazendo com que a ferramenta aqueça e dobre ou lasque. A Tabela 2 mostra os parâmetros comuns para o corte de ligas de titânio com diferentes tipos e materiais de ferramentas.

3.5 Sistema de Resfriamento

O requisito para fluido de corte no corte de liga de titânio é baixa nebulização. Ferramentas de resfriamento de alta pressão devem ser selecionadas para usinagem de liga de titânio, 配合机床高压泵, a pressão de resfriamento pode atingir (60–150) × 10⁵ Pa (aproximadamente 60–150 bar). O uso de ferramentas de resfriamento de alta pressão para usinar ligas de titânio pode aumentar a velocidade de corte em 2–3 vezes, prolongar a vida útil da ferramenta e melhorar a morfologia do cavaco de liga de titânio. Ao aplicar fluido de corte durante a usinagem de liga de titânio, a força de corte é reduzida em 5%–15% em comparação com o corte a seco de liga de titânio, a força radial é reduzida em 10%–15%, a temperatura de corte é reduzida em 5%–10%, e a morfologia da superfície da liga de titânio usinada é melhor, com menos adesão maciça, o que é propício para obter uma qualidade de superfície mais alta.

A emulsão química Trim E206 atualmente utilizada, misturada a partir de 8% de concentrado e 92% de água pura, com uma concentração de 7%–9%, alcança bons resultados de usinagem no processamento de materiais de liga de titânio e pode ser usada em operações de torneamento, fresamento e retificação. O Trim E206 contém aditivos especiais que controlam efetivamente a formação de borda postiça. O fluido de corte contém minúsculas moléculas emulsificadas, melhorando a estabilidade do fluido de corte e reduzindo a transferência durante a usinagem, tornando mais fácil para o fluido de corte entrar na zona de corte. Além disso, o Trim E206 tem forte resistência à contaminação por óleo, e os resíduos do fluido de corte são facilmente solúveis em água e no fluido de trabalho, ajudando a manter a limpeza dos equipamentos e das superfícies das peças usinadas.

4. Integridade da Superfície da Liga de Titânio

4.1 Inspeção da Microestrutura de Forjados de Liga de Titânio

A inspeção da microestrutura da liga de titânio envolve o exame da superfície de uma peça de liga de titânio gravada sob um microscópio eletrônico para observar as características morfológicas, distribuição, etc., da microestrutura do material, usado para verificar se a estrutura metalográfica da liga de titânio está em conformidade com os padrões relevantes e as especificações do desenho. As etapas para a inspeção da microestrutura de forjados de liga de titânio são: usinagem grosseira do forjado → polimento da superfície → gravação da superfície → limpeza → secagem → inspeção microscópica. A inspeção microscópica da liga de titânio Ti6Al4V é mostrada na Figura 2.

a) Polimento da superfície    b) Gravação da superfície

c) Enxágue com água    d) Exame microscópico

O objetivo da usinagem grosseira do forjado é remover completamente a camada α. A superfície da liga de titânio é polida usando lixa de óxido de alumínio com granulometrias 400#–800#, e a rugosidade da superfície deve atingir Ra = 0,025 μm ou requisitos de grau superior. A gravação usa o reagente de Kroll, preparado como uma solução aquosa de 2% HF, 4% HNO₃. Uma quantidade apropriada do reagente de Kroll é aplicada à superfície polida da liga de titânio até que a estrutura clara desejada seja obtida, depois enxaguada em água e seca. Um microscópio eletrônico portátil é usado para inspecionar a superfície da liga de titânio. A estrutura deve conter 10%–50% de α primário. A morfologia microestrutural da liga de titânio Ti6Al4V mostrada na Figura 3 representa uma estrutura metalográfica qualificada.

a) α primário na matriz transformada β       b) α descontínuo nos contornos dos grãos β

c) α lamelar em grãos β

4.2 Inspeção de Corrosão por Anodização Azul para Ligas de Titânio

Durante a usinagem de liga de titânio, quando ocorre o desgaste do flanco da ferramenta, a resistência ao impacto da ferramenta diminui gradualmente, levando ao endurecimento por trabalho na superfície usinada da liga de titânio devido à extrusão e superaquecimento. O método de corrosão por anodização azul é comumente usado para detectar endurecimento e outros defeitos. A superfície de uma peça de trabalho de liga de titânio após a corrosão por anodização azul é mostrada na Figura 4. Após a dissolução pós-tratamento da peça de trabalho de liga de titânio anodizada, a cor de uma película de óxido qualificada deve ser um azul claro uniforme (veja a Figura 4a). Peças de trabalho de liga de titânio endurecidas por trabalho, após a inspeção por corrosão, mostram uma superfície azul escura (veja a Figura 4b) ou áreas mais escuras localizadas (veja a Figura 4c), com distribuição de cores irregular em diferentes áreas.

a) Azul claro uniforme      b) Azul escuro      c) Azul escuro localizado

Após a corrosão por anodização azul, para peças que exibem endurecimento por trabalho, métodos como ajuste do material da ferramenta de corte, revestimento e ângulos de corte para usinagem de liga de titânio, otimização de caminhos de ferramentas e parâmetros de corte, podem ser usados para controlar e eliminar o endurecimento por trabalho.

4.3 Acabamento de Superfície de Ligas de Titânio

Para remover defeitos de superfície de discos de compressores, cubos, rotores, eixos e espaçadores de rotores de liga de titânio, e melhorar a vida útil da peça, após a conclusão de todas as operações de usinagem mecânica na peça de trabalho de liga de titânio, o acabamento manual com disco de aba pode ser usado para o acabamento da superfície. O acabamento com disco de aba requer o uso de ferramentas de acabamento mostradas na Figura 5: uma ferramenta pneumática rotativa (velocidade 18.000 rpm), um mandril de polimento e tecido abrasivo de óxido de alumínio ou carboneto de silício (especificação 10 mm × 20 mm, granulação 120#).

a) Ferramenta pneumática rotativa       b) Mandril de polimento        c) Tecido abrasivo

O acabamento da ranhura interna de uma peça de trabalho de liga de titânio é mostrado na Figura 6. Para obter bons resultados de acabamento, os seguintes métodos podem ser usados:

1. Dobre o tecido abrasivo de óxido de alumínio no sentido do comprimento e insira-o firmemente na ranhura de fixação na extremidade frontal do mandril de polimento. Aperte-o na direção oposta à direção de rotação do mandril. Troque por um novo tecido abrasivo após o acabamento de cada área da superfície da peça de trabalho (veja a Figura 6a).

2. O tecido abrasivo rotativo deve se mover para frente e para trás sobre a superfície da liga de titânio por um ou dois ciclos, cada ciclo durando 10–30 segundos, com uma velocidade de movimento para frente e para trás de cerca de 1,57 mm/s (veja a Figura 6b).

3. Ao finalizar diferentes superfícies da peça de trabalho de liga de titânio, troque o tecido abrasivo entre os ciclos. Durante o acabamento manual, use uma chave de parada apropriada ou um dispositivo de parada de profundidade mecânica para controlar a passagem do tecido abrasivo rotativo.a) Instalação do tecido abrasivo       b) Polimento rotativo

5. Conclusão

A liga de titânio é um material típico de difícil usinagem. Devido às altas forças de corte, altas temperaturas de corte e desgaste severo da ferramenta durante a usinagem, a seleção de materiais de ferramentas razoáveis e geometrias de pastilhas é o principal desafio na usinagem de liga de titânio. As ferramentas de carboneto contendo Ti têm bom desempenho de resistência ao desgaste por difusão. Durante o corte, uma camada de adesão de liga de titânio estável se forma na superfície da ferramenta, o que pode inibir o desgaste. Com o desenvolvimento de ferramentas domésticas, a eficiência da usinagem de ligas de titânio tem melhorado gradualmente, economizando custos de usinagem e desempenhando um papel positivo na realização da localização geral dos motores. Na prática de produção, a usinagem de liga de titânio deve ser baseada nas condições existentes da empresa em relação à tecnologia, equipamentos, gerenciamento e custo. Fixações de posicionamento razoáveis devem ser selecionadas, e os parâmetros de corte devem ser otimizados usando a plataforma de dados de informações da empresa, afastando-se gradualmente do conceito de usinagem extensiva de seleção de parâmetros com base apenas na experiência e analogia.

Ao realizar inspeções de microestrutura em forjados de liga de titânio, a estrutura metalográfica da liga de titânio usinada grosseiramente pode ser comparada e avaliada. A usinagem de acabamento pode remover efetivamente defeitos de usinagem e materiais na superfície da liga de titânio, melhorando a vida útil da peça de trabalho. A inspeção por corrosão por anodização azul pode identificar efetivamente defeitos como endurecimento por trabalho que ocorrem durante a usinagem de liga de titânio. Controlar efetivamente a integridade da superfície da liga de titânio usinada é de grande importância para estabilizar a qualidade da usinagem de liga de titânio e melhorar a vida útil das peças de trabalho de liga de titânio.

Este artigo foi publicado em Metal Working (Cold Working), Edição 7, 2021, páginas 1–5