Este trabalho visa o desenvolvimento de um processo para obtenção da liga Ti-35Nb-7Zr-5Ta por metalurgia do pó a partir da utilização de pós elementares no estado hidrogenado, com foco na obtenção de amostras com elevada densificação (acima de 90 %) e microestrutura homogênea. Uma vez que a porosidade é um fator importante em termos de osteointegração, é também investigada a obtenção de amostras da liga com controle de porosidade. A liga Ti-35Nb-7Zr-5Ta apresenta o menor módulo de elasticidade entre as ligas metálicas já desenvolvidas e é composta apenas por elementos considerados biocompatíveis. O processo de obtenção de ligas de titânio por metalurgia do pó (M/P) a partir dos pós elementares mostra-se uma alternativa viável por permitir a obtenção de peças com geometrias complexas e próximas às dimensões finais, a baixos custos. Os pós elementares hidrogenados foram misturados em moinho planetário, prensados uniaxial e isostaticamente a frio e sinterizados na faixa de temperaturas entre 800 e 1500 C. Complementando o estudo, foram produzidas amostras da liga com a adição de um agente formador de poros (carbonato de amônio), em diferentes teores, para a obtenção de amostras com controle de porosidade. Para caracterização do material, foram utilizadas técnicas de microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, massa específica e dilatometria. São analisadas as propriedades mecânicas (microdureza Vickers, compressão, flexão e cisalhamento), biológicas (ensaios in vitro) e de bioatividade (recobrimento biomimético). As análises microestruturais indicam que as amostras apresentaram elevada densificação (acima de 99,3 %) e a tendência de exibir uma microestrutura homogênea com o aumento da temperatura de sinterização e após a completa dissolução de todas as partículas de Ta e Nb. Além disso, foi possível a obtenção de amostras com um nível de porosidade superior a 50 %, com distribuição de poros na faixa de 150 mm. Os testes in vitro revelam a não citotoxicidade dos pós de partida e das amostras sinterizadas e a técnica biomimética utilizada demonstra ser adequada para a formação de uma camada de hidroxiapatita capaz de suportar cargas funcionais.

Materiais contendo fases intermetálicas e metálicas podem apresentar microestruturas que possuam potencial para aplicações estruturais em altas temperaturas. Porém, existem problemas de compatibilidade entre os coeficientes de expansão térmica de algumas dessas fases. Em experimentos de fusão a arco, por exemplo, a fase Ti5Si3 (quando produzida com uma solução sólida de titânio) apresenta trincas em sua estrutura. Nesse intuito pode ser utilizada a metalurgia do pó como solução de tal problema de solidificação, uma vez que os inconvenientes da fase líquida não existem nesta técnica. O presente trabalho realiza o estudo do efeito das diferentes variáveis de moagem e sinterização nas transformações de fases de ligas Ti-Si-B. As informações relacionadas com estas ligas são limitadas, que torna importante o estudo sobre a densificação dos pós Ti-Si-B, bem como sua produção por moagem de alta energia. Os experimentos foram realizados com a utilização de diferentes equipamentos e parâmetros de sinterização. As peças sinterizadas foram avaliadas por meio de análises dimensionais, gravimétricas, de microindentação e de compressão. Foram realizadas análises fractográficas dos corpos-de-prova após os ensaios de compressão. Todos os produtos obtidos ao longo do processo de moagem e após processos de sinterização foram caracterizados por difração de raios X e microscopia eletrônica de varredura, visando observar o comportamento das fases durante a preparação dos materiais. Devem ser ressaltadas as limitadas informações sobre propriedades físico-químicas de peças compactadas do sistema Ti-Si-B. A amorfização parcial de algumas misturas de pós é observada durante as análises, onde também são identificadas partículas de morfologias e tamanhos bem variados. A utilização de álcool isopropílico apresentou pouca contaminação em relação aos outros pós que foram processados neste trabalho. Em termos de densificação a prensagem a quente facilitou de forma mais significativa a confecção dos corpos-de-prova, porém as estruturas trifásicas não foram obtidas sem a presença de outras fases. As ligas produzidas apresentam alta resistência e comportamento frágil em ensaios de compressão.

No presente trabalho foi avaliado o efeito do tratamento térmico na fluência na liga Ti-6Al-4V e na estrutura com maior resistência à fluência, foi aplicado o recobrimento como forma de barreira térmica - TBC (Thermal Barrier Coating). A liga Ti-6Al-4V, foi submetida a três diferentes condições de tratamentos térmicos, visando à obtenção das estruturas de Widmanstätten, Martensita e Bimodal. Em seguida foram realizados ensaios de fluência a 600C nas tensões de 125, 250 e 319 MPa para verificação da microestrutura com maior resistência à fluência. A estrutura de Widmanstätten apresentou maior resistência à fluência e foi realizado aplicação do recobrimento metal/cerâmico CoNiCrAlY+ZrO2 parcialmente estabilizada com ítria pela técnica de aspersão térmica nesta estrutura. As amostras com estrutura de Widmanstätten recobertas e não recobertas foram submetidas a ensaios de fluência ao ar na temperatura de 600C nas tensões de 125, 250 e 319 MPa e na tensão de 319 MPa para as temperaturas de 500 e 700C. Foram determinados os parâmetros e os mecanismos de fluência. A caracterização do material foi realizada através de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. A estrutura de Widmanstättten com recobrimento apresentou melhor comportamento em fluência em relação a liga não recoberta com redução na taxa de fluência secundária e aumento no tempo de vida por fluência. Os valores dos expoentes de tensão obtidos variaram entre 3,58 e 5,63 e da energia de ativação por fluência entre 271,3 e 312,6 kJ/mol. Com bases nesses valores pode-se sugerir que o mecanismo de fluência é controlado por discordâncias. As análises fractográficas indicam que o mecanismo predominante é caracterizado pela formação e coalescência de microcavidades com forma e tamanhos variados, com o mecanismo de fratura dúctil prevalecendo em todas as condições.

Este trabalho tem o objetivo de obter os valores das tensões residuais compressivas introduzidas na liga de Ti-6Al-4V no processo de shot peening utilizado em peças estruturais primárias de aeronaves, onde uma falha é considerada como falha catastrófica. As estruturas primárias das aeronaves são calculadas para suportar as cargas cíclicas e têm especificada a aplicação do shot peening como uma segurança a mais que não é considerada no projeto da estrutura. As tensões compressivas devido ao shot peening retardam as propagações de trincas, possibilitando mais tempo para detectar estas trincas nos cheques "C" estruturais dos aviões. Devido à natureza das tensões compressivas do shot peening, por exemplo, de atingirem uma profundidade de apenas 0,2 mm a partir da superfície da peça, a sua detecção é complexa e existem dois métodos mais utilizados para essa medição. Um método utiliza a técnica por difração de raios X, esta requer usinagens químicas sucessivas da superfície da peça, sendo um teste destrutivo com custos elevados. O outro método, chamado de furo cego, mede as tensões através das deformações radiais na superfície da peça ao redor do furo. O trabalho teve o objetivo de obter os níveis das tensões introduzidas pelo process de shot peening, e verificar a vida em fadiga de corpos de prova com um furo. Os corpos de provas foram divididos em três grupos com quantidades e geometrias definidas pelas condições do processo: sem shot peening, nas faixas de 0,005N-0,008N e 0,006A-0,008A. Os corpos de provas tiveram as tensões compressivas devido ao processo do shot peening medidas, e foram feitos os ensaios de fadiga e obtida a curva em fadiga. Os resultados deste trabalho proporcionaram os conhecimentos das tensões compressivas introduzidas na liga Ti-6Al-4V devido ao processo de shot peening e sua influência na vida em fadiga. Concluindo a curva em fadiga mostrou que devido a tensão de tração em reação às tensões compressivas do shot peening causaram a falha primeiro nos corpos de prova que tiveram a aplicação na faixa de 0,006A-0,008A na região do furo.

Atualmente, o conhecimento aprofundado e desenvolvimento das tecnologias disponíveis e suas aplicações torna-se tão importante quanto o desenvolvimento de novas tecnologias. O fresamento em cinco eixos é um processo que atende a vários setores de fabricação com fundamental importância para o domínio tecnológico nos setores industrial aeronáutico e de geração de energia elétrica. Os vários componentes, como componentes de turbina, em especial de rotores, estatores, impelidores e suas pás, encontram vantagens na manufatura por fresamento em cinco eixos. A utilização do fresamento em cinco eixos para a fabricação de componentes de turbinas a gás é caracterizada por uma série de fatores complicadores que estão relacionados com aspectos geométricos desses componentes, de seus materiais (propriedades físicas e mecânicas) e da própria cadeia do processo, que podem não somente tornar a aplicação do processo ruim como também inviável ou impossível. O objetivo principal deste trabalho é fornecer um conjunto de avaliações pertinentes à usinagem de componentes de paredes finas de titânio, além de apontar cuidados com alguns parâmetros e fenômenos intrínsecos dos processos de fresamento e agravados pelos processos de usinagem em cinco eixos de paredes finas.

A elevada relação resistência mecânica/peso, alta resistência à corrosão e biocompatibilidade do titânio e suas ligas apresentam-se de grande importância para as indústrias aeroespacial, química, naval e de implantes. Todavia, a produção e processamento do titânio apresentam custos elevados em função de dificuldades oriundas de sua elevada reatividade. Uma alternativa é a produção de peças por metalurgia do pó. O Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) é o principal centro de desenvolvimento de tecnologia do titânio no país e nos últimos 10 anos desenvolve forte linha de pesquisa relacionada à produção ligas de titânio baseada nas técnicas de metalurgia do pó. Uma das poucas desvantagens da utilização das ligas de titânio está relacionada à sua baixa resistência quando solicitada em situações de desgaste mecânico. Dessa forma, o objetivo desta tese é o desenvolvimento de uma técnica de obtenção de revestimentos de nitreto de titânio por meio de deposição física de vapores utilizando-se um forno de feixes de elétrons (Electron Beam Physical Vapor Deposition - EB-PVD) em substratos da liga Ti-13Nb-13Zr obtida por metalurgia do pó, visando o aumento de sua resistência ao desgaste. A técnica EB-PVD foi escolhida por permitir a obtenção de revestimentos multicamadas, espessos, densos e com elevada adesão. Substratos da liga Ti-13Nb-13Zr, desenvolvida originalmente para aplicação em implantes, foram obtidos a partir da mistura dos pós elementares hidrogenados, seguido por sequencia de prensagens uniaxial e isostática a frio e sinterização sob vácuo. Os revestimentos foram obtidos em um sistema de bicamada Ti/TiN, no qual inicialmente é depositada uma fina camada de titânio puro para aumentar as propriedades de adesão ao substrato. A camada final de TiN é obtida pela ação combinada da nuvem de vaporização do alvo de titânio com um fluxo de nitrogênio direcionado aos substratos. Os revestimentos foram caracterizados por meio de técnicas de microscopias eletrônica de varredura e de força atômica, difração de raios X, análises de microdureza Vickers e ensaios de atrito, desgaste e adesão. Os resultados obtidos demonstraram um aumento significativo dos valores de dureza aliados a significantes resultados de adesão e desgaste, comprovando a funcionalidade do processo desenvolvido sem a necessidade de utilização de métodos especiais de ionização assistida. Pôde ser observada uma evidente tendência à elevação dos valores de microdureza com o aumento da temperatura de aquecimento do substrato e redução da vazão de nitrogênio.

O presente trabalho tem como objetivo a avaliação do comportamento em fluência da liga Ti-6Al-4V submetida ao tratamento superficial de nitretação por laser. Os resultados apresentam uma microestrutura formada na nitretação por laser constituída de três regiões distintas: zona fundida pelo laser, zona afetada pelo calor e substrato não afetado da liga Ti-6Al-4V. A zona fundida pelo laser consiste de uma fina e contínua camada de TiN com um crescimento perpendicular de dendritas de TiN e TiN0,3 numa matriz martensítica ?';-Ti, sendo a martensita também a principal constituinte da zona afetada pelo calor. A dureza média aumentou de 340 HV, da liga sem tratamento, para até 1.100 HV, no topo da superfície do material nitretado por laser. Este aumento de dureza está relacionado à presença da fase TiN. A rugosidade média Ra aumentou de 0,46 m, quando sem tratamento, para 6,60 m, após nitretação por laser. A liga nitretada por laser foi submetida a ensaios de fluência nas condições de temperatura de 500C, 600C e 700C na faixa de tensão de 125 MPa a 520 MPa. São determinados os parâmetros e os mecanismos de fluência, podendo-se estabelecer uma análise comparativa com os resultados obtidos da mesma liga sem tratamento, em estudos anteriores. A liga nitretada por laser apresenta melhor comportamento em fluência em relação à liga não tratada, com redução na taxa de fluência secundária e aumento no tempo de vida por fluência. Os valores dos expoentes de tensão obtidos variam entre 6,46 e 7,54, para a liga nitretada, e entre 3,00 a 5,55, para a liga sem tratamento. Os valores de energia de ativação encontrados são de 261,1 kJ/mol para a liga nitretada, e 218,0 kJ/mol, para a liga sem tratamento. Com bases nesses valores pode-se sugerir que o mecanismo de fluência é controlado por escalagem de discordâncias para ambos os casos. As análises fractográficas indicam que o mecanismo predominante é caracterizado pela formação e coalescência de microcavidades, com o mecanismo de fratura dúctil para ambos os casos, sendo que a liga sem tratamento apresenta-se mais dúctil que a liga tratada.

Componentes fabricados em ligas de titânio são ideais para sistemas complexos que exigem altos desempenho e confiabilidade devido à sua combinação de alta resistência específica e de resistência à corrosão. A liga Ti-6Al-4V é a mais importante liga de titânio e sua aplicação inclui desde a indústria aeroespacial até implantes cirúrgicos. Apesar dessas características atraentes, o uso de ligas de titânio é limitado pelo custo. O processamento de ligas por metalurgia do pó facilita a obtenção de peças com geometrias complexas e, provavelmente, com menor custo. O objetivo deste trabalho é investigar rotas de produção da liga Ti-6Al-4V por metalurgia do pó, baseado no estudo do desenvolvimento microestrutural e densificação, visando definir as melhores alternativas para sua elaboração. Foram produzidas amostras por quatro rotas, pela mistura de pós metálicos elementares (Rota 1), pós metálicos elementares de Al e V com pó de TiH2 (Rota 2), pó pré-ligado de Ti-6Al-4V hidrogenado (Rota 3) e pó pré-ligado de Ti-6Al-4V atomizado (Rota 4), seguida por prensagem uniaxial e isostática a frio com subseqüente densificação por sinterização entre 800-1400C, em alto vácuo (10-7 Torr). Foram caracterizadas amostras sinterizadas em termos de composição de fase, microestrutura e microdureza por difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e indentação Vickers, respectivamente. Análises de massa específica foram realizadas pelo método de Arquimedes. As propriedades mecânicas foram analisadas por ensaios de compressão. O comportamento de contração/expansão das amostras foi analisado por dilatometria. As análises realizadas indicam uma tendência à obtenção de melhores resultados em termos de densificação e desenvolvimento microestrutural com a utilização de pós pré-ligados que passaram por processo de hidrogenação.

As ligas NiTi são as mais amplamente utilizadas dentre os materiais com Efeito de Memória de Forma. Uma liga NiTi capaz de deformar 9% da forma original e recuperá-la totalmente tem sido produzida no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Aproveitando esta característica (a maior recuperação de forma encontrada na literatura aberta) desenvolveu-se um atuador torcional visando o controle de forma de estruturas aeronáuticas. O objetivo deste trabalho é modelar e projetar um atuador torcional e avaliar experimentalmente o deslocamento angular e torque gerados pela recuperação de forma. Desenvolveu-se uma formulação simplificada para o projeto do atuador torcional considerando como variáveis de projeto o comprimento e o diâmetro do atuador, o diâmetro do fio e o ângulo de enrolamento. São deduzidas expressões para o cálculo do comprimento do fio de NiTi, o deslocamento angular e o torque gerado em função dos parâmetros de projeto. Recomendações de projeto do atuador torcional são elaboradas em função dessas relações. O sistema de aquecimento usado para atingir a temperatura de transformação de fase (88C, valor correspondente a Af) é baseado em água em ebulição (também poderia ser utilizado efeito Joule). Desenvolveu-se um banco de prova linear para caracterizar a recuperação de forma do material e as forças geradas sob deformação longitudinal. Dois diâmetros de fio de NiTi foram testados no atuador torcional: 1 mm e 2 mm. Os resultados de deslocamento angular foram de 18 para os dois fios usados para uma deformação recuperável por EMF de aproximadamente 3%. Em termos de forças de recuperação, o fio de 1 mm apresenta 250 N na etapa de recuperação, e o fio de 2 mm uma força de 1100 N, aproximadamente quatro vezes maior. Os resultados experimentais são consistentes com a análise teórica, principalmente considerando as limitações do experimento torcional.

O presente trabalho tem como finalidade estudar a melhoria das características superficiais da liga Ti6Al4V, induzida pelo processo de nitretação iônica. Objetiva-se aumentar a dureza e melhorar as características de hemocompatibilidade, tendo em vista a sua aplicação futura na confecção de válvula cardíaca mecânica. O processo foi desenvolvido em um reator de jato de plasma de nitrogênio e estudou-se a influência de parâmetros do processo como fluxo de nitrogênio, tempo de processamento e porcentagem de N2 na mistura N2 : H2 usada na descarga, nas características físico-químicas de ligas tratadas de Ti6Al4V. Outros parâmetros, como tensão de descarga, pressão da câmara e temperatura, foram ajustadas de maneira a poder sustentar a descarga com 100 mA de corrente elétrica. A formação das fases de nitreto de titânio nas amostras tratadas com diferentes condições pode ser verificada pela análise estrutural feita com a difração de raios-X. As durezas das camadas nitretadas foram qualitativamente analisadas pela técnica de nanoindentação, que identificou de maneira semiquantitativa a espessura da camada de maior dureza formada em cada amostra. A microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X foram utilizadas para avaliar a variação na textura da superfície da amostra em função das condições de nitretação iônica. O melhoramento da propriedade superficial, quanto à tensão de contato que dita a característica da molhabilidade, foi verificado pela técnica da determinação de ângulo de contato. O estudo permitiu verificar que a diminuição do fluxo de nitrogênio, numa faixa entre 1,0 e 0,3 sccm, assim como o aumento no intervalo de tempo de processamento e concentração de N2 na mistura N2 : H2, aumentam monotonicamente os valores das características mecânicas, como dureza e módulo de elasticidade do filme nitretado. A análise energética dos íons produzidos na descarga elétrica foi feita com o analisador de energia construído e colocado na câmara de processamento deste reator. Os resultados obtidos permitiram inferir que uma das principais causas da melhora na característica da camada nitretada é o aumento da energia dos íons de nitrogênio incidentes sobre a amostra processada. Um dos principais e relevantes resultados do presente trabalho foi, sem dúvida, a obtenção de uma liga de titânio nitretada no anodo de um reator do tipo jato de plasma de baixa intensidade, com dureza amplificada por fator da ordem de 7 vezes a da amostra original, classificando o processo desenvolvido entre os trabalhos que apresentaram melhores resultados em nível internacional. Esse jato de plasma de N2 permite concluir sobre a viabilidade técnica da utilização do reator no melhoramento das características físico-químicas da superfície de Ti6Al4V, multiplicando-se o potencial a aplicação da liga como biomaterial, mesmo na área de produção de implantes cardiovasculares.