Ligações ZrO2/Ti e ZrO2/Ti-6Al-4V por difusão e brasagem

Abstract

O escopo desse projeto de pesquisa abrange a caracterização da microestrutura interfacial dos sistemas TZP (zircônia tetragonal policristalina)/Ti e Ti-6Al-4V obtidas por difusão direta, em atmosfera inerte, entre o metal e a cerâmica ou na presença de uma camada intermediária de Pt entre os materiais. Brasagem reativa em vácuo, com Au puro (brasagem com ativação in situ) e liga Cusil ABA (pré-ativada com adições de Ti) como formadores de fase líquida também foi aplicada aos sistemas MEV, EDS, DRX e EPMA (micro-sonda) foram as principais técnicas analíticas utilizadas na caracterização das interfaces.

No sistema TZP/Ti a cerâmica é reduzida pelo metal e o Zr e o O liberados formam solução sólida com Ti, dando origem a uma camada de reação interfacial, Ti[Zr,O]ss. A camada interfacial é precedida no interior da cerâmica por uma zona de transição, com grãos de TZP dispersos em uma matriz semelhante à camada de reação. Em consequência do contato direto entre a cerâmica e o metal durante tratamento térmico, o Ti torna-se saturado em oxigênio. Devido à degradação das propriedades dos metais causada pela dissolução de oxigênio, componentes TZP/Ti e Ti-64l-4V são pouco viáveis como elementos estruturais.

Nas condições experimentais desse projeto a eficácia da interposição de Pt entre os metais e a cerâmica como barreira de difusão ao oxigênio, a uma determinada temperatura, é função do tempo de ligação. Para temperatura de tratamento igual ou acima de 1328 ˚C existe um tempo crítico além do qual a redução da cerâmica leva à formação de intermetálicos Pt-Zr na interface e de óxido de Ti na camada metálica intermediária. Entre 1162 e 1245 ˚C a microestrutura da camada intermediária é semelhante à formada a temperaturas mais elevadas e por tempos inferiores ao limite crítico, porém sem a formação de intermetálicos Pt-Zr. Para temperaturas inferiores a 1162 ˚C não há ligação entre a cerâmica e Pt Ti ou Ti-6Al-4V e Pt, como previsto pelo diagrama de fases do sistema, formam uma série de intermetálicos. Entretanto, uma fase não prevista pelo diagrama de equilíbrio de fases do sistema Pt-Ti, com composição Ti3Pt2, foi identificada nas amostras analisadas, independentemente de tempo e temperatura. Adicionalmente verificou-se desacôrdo entre a composição do eutético prevista pelo diagrama de equilíbrio de fases, localizado na região rica em Ti e a região associada à formação de líquido. A adesão entre Pt e TZP, mesmo na ausência de compostos Pt-Zr na interface e de óxidos de Ti no volume da Pt, dentro dos parâmetros experimentais fixados, é insuficiente para viabilizar a aplicação de componentes estruturais dos sistemas TZP/Pt/Ti e Ti-6Al-4V. A interface TZP/Au/Ti é caracterizada pela presença de uma camada de Ti2O3 na superfície da cerâmica e de intermetálicos Au-Ti entre o óxido e o Ti. Para os tempos de brasagem considerados na avaliação da resistência à flexão (4 pontos) neste projeto, isto é, 1 e 10 minutos a 1100 ˚C, apesar da presença do óxido, a fratura (frágil) ocorre na camada do intermetálico TiAu2, distante da interface. A resistência à flexão máxima, 229 ± 37 MPa, é verificada após 10 minutos a 1100 ˚C. Nesse sistema, independentemente do tempo de brasagem, não há dissolução de Zr nas camadas adjascentes à cerâmica. Au e Ti-6Al-4V, devido a fenômenos não caracterizados nesse projeto, não formam interfaces resistentes. A avaliação do potencial do sistema TZP/Au/Ti foi apenas parcialmente concretizada, havendo um vasto campo de pesquisa ainda a ser explorado, especialmente em relação às propriedades mecânicas e ciclos de processamento que as otimizem.

A microestrutura da interface dos sistemas TZP/Cusil ABA/Ti e Ti-6Al-4V é complexa, com a presença de camada de Ti2O na superfície da cerâmica e de compostos M6X (Ti3Cu3O e Ti4Cu2O) nas adjacências, além de intermetálicos Cu-Ti na proximidade da interface Cusil ABA/Ti, enquanto que na interface do sistema de referência TZP/Cusil ABA/TZP uma outra forma de óxido de Ti foi identificada, δ-TiO. A resistência à flexão máxima verificada no sistema Ti/Cusil ABA/Ti, 455 ± 50 MPa, representa aproximadamente 63 % da resistência à flexão da TZP monolítica e é superior aos valôres reportados préviamente para sistemas similares. A fratura (frágil) inicía-se na interface TZP/Ti2O e propaga-se através das camadas de reação nas adjascências. Uma forma modificada de composto M6X forma-se na interface do sistema TZP/Cusil ABA/Ti-6Al-4V: Ti3(Cu0,76 Al0,19V0,05)3. O sistema TZP/Cusil ABA/Ti, apesar da elevada resistência à flexão, é potencial candidato a aplicações a temperatura ambiente e sob tensões relativamente moderadas. O sistema TZP/Cusil ABA/Ti-6Al-4V não pode ser devidamente avaliado nesse projeto de pesquisa e permanece como objeto para pesquisas futuras.