Produção de componentes híbridos titânio/aço inoxidável para a utilização no setor aeronáutico

Abstract

A união de titânio e aço inoxidável por meio de Friction Stir Spot Welding (FSSW) tem adquirido grande relevância nos últimos anos em aplicações industriais devido às vantagens técnicas e económicas que oferece. A união destes dois materiais permite aproveitar as suas propriedades únicas, resultando em soldaduras com elevada resistência mecânica e resistência à corrosão. Além disso, a utilização do aço inoxidável, que é mais económico em comparação ao titânio, contribui para redução dos custos de fabricação, representando uma solução economicamente viável para diversas aplicações industriais. O interesse na utilização do processo FSSW ao invés dos processos tradicionais de soldadura deve-se ao facto de ser um processo capaz de unir com sucesso materiais similares ou dissimilares no estado solido, oferecendo assim inúmeros benefícios em relação a técnicas de soldadura tradicionais.No presente trabalho, foram realizados ensaios para um variado leque de parâmetros de processo, com o intuito de unir, através de Pinless Friction Stir Spot Welding, chapas de 1mm de espessura de Aço Inoxidável 304 e Ti-6Al-4V. Durante o estudo, tendo em conta a dificuldade em obter uma ligação consistente, foi feita uma análise morfológica, microestrutural, mecânica e elementar das diferentes amostras produzidas, e relacionada com as condições de soldadura.Através da análise microestrutural das amostras foi possível verificar uma diminuição do tamanho de grão na parte do aço inoxidável, em todas as condições testadas, independentemente dos parâmetros utilizados. Porém, na parte da chapa de titânio, para além do aumento do tamanho de grão, observado em todas as amostras, foi possível identificar uma mudança de fase nas amostras realizadas com velocidade de 1500 rpm, devido a maiores valores de temperatura registados. Concluiu-se que muitas das diferenças observadas se devem ao facto do aço se encontrar simultaneamente sujeito aos efeitos da deformação e da temperatura.Foi ainda observada uma fina região de mistura na interface de soldadura, resultante da difusão de Fe, Ni e Cr na chapa de titânio e de Ti e Al na chapa de aço, o que sugeriu a formação de compostos intermetálicos. Verificou-se que os parâmetros de processo influenciam fortemente a morfologia desta camada, sendo que a sua espessura dessa camada aumenta com o aumento da temperatura e com o aumento do tempo de soldadura.Foi assim, deste modo, possível aferir a grande margem para a união de Aço Inoxidável a uma liga de Titânio por FSSW. Porém, tudo indica que a existência de uma camada de composto intermetálico poderá limitar a resistência mecânica da união. No entanto, também é percetível que com a utilização dos parâmetros de processo adequados se pode restringir o tamanho e a severidade do efeito nefasto que esta camada poderá ter na resistência mecânica da junta soldada.

The union of titanium and stainless steel through Friction Stir Spot Welding (FSSW) has gained great relevance in recent years in industrial applications due to the technical and economic advantages it offers. The joining of these two materials allows for the utilization of their unique properties, resulting in welds with high mechanical strength and corrosion resistance. Furthermore, the use of stainless steel, which is more cost-effective compared to titanium, contributes to the reduction of manufacturing costs, representing an economically viable solution for various industrial applications. The interest in employing the FSSW process instead of traditional welding techniques stems from its ability to successfully join similar or dissimilar materials in the solid-state, offering numerous benefits over traditional welding methods.In the present study, experiments were conducted using a wide range of process parameters with the aim of joining 1mm thick sheets of Stainless Steel 304 and Ti-6Al-4V through Pinless Friction Stir Spot Welding. During the investigation, considering the difficulty in achieving a consistent bond, morphological, microstructural, mechanical, and elemental analyses were performed on the different produced samples and correlated with the welding conditions.Through the microstructural analysis of the samples, a reduction in grain size was observed in the stainless steel region for all tested conditions, regardless of the parameters used. However, in the titanium region, besides an increase in grain size observed in all samples, a phase change was identified in the samples produced with a speed of 1500 rpm, attributed to higher temperature values recorded. It was concluded that many of the observed differences are due to the simultaneous effects of deformation and temperature on the steel.A thin mixing region was also observed at the weld interface, resulting from the diffusion of Fe, Ni, and Cr into the titanium sheet and Ti and Al into the steel sheet, suggesting the formation of intermetallic compounds. It was found that the process parameters strongly influence the morphology of this layer, with its thickness increasing with higher temperature and longer welding time.Thus, it was possible to ascertain the great potential for joining stainless steel to a titanium alloy through FSSW. However, it appears that the presence of an intermetallic compound layer may limit the mechanical strength of the joint. Nevertheless, it is also evident that with the use of appropriate process parameters, the size and severity of the detrimental effect this layer may have on the mechanical strength of the welded joint can be mitigated.Keywords: Friction Stir Spot Welding, Titanium, Stainless Steel, Intermetallic Compounds, Interface.