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aleaciones de titanio

Aleación de titanio en forma de lingote Las aleaciones de titanio son aleaciones que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos . Estas aleaciones poseen una res...

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Aleación de titanio en forma de lingote

Las aleaciones de titanio son aleaciones que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos . Estas aleaciones poseen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy elevadas (incluso a temperaturas extremas). Son ligeras, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Sin embargo, el alto coste de procesamiento limita su uso a aplicaciones militares , aeronáuticas , espaciales , bicicletas , dispositivos médicos, joyería, componentes sometidos a altas tensiones, como las bielas de coches deportivos de lujo y algunos equipos deportivos de alta gama, así como a productos electrónicos de consumo .

Si bien el titanio "comercialmente puro" posee propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado en implantes ortopédicos y dentales , para la mayoría de las aplicaciones se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio , generalmente un 6 % y un 4 % respectivamente, en peso. Esta mezcla presenta una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que permite que se someta a un endurecimiento por precipitación . Este tratamiento térmico se lleva a cabo después de que la aleación haya adquirido su forma final, pero antes de su uso, lo que facilita enormemente la fabricación de un producto de alta resistencia.

Categorías

Diagrama de Frost de varias aleaciones de titanio
Superficie de fractura de una pieza fabricada con aleación de titanio.
Diagrama de fases de constitución de aleación de titanio - peritectoide alfa
Diagrama de fases de la constitución de la aleación de titanio - beta eutectoide
Diagrama de fases de constitución de aleación de titanio - beta isomorfo

Las aleaciones de titanio generalmente se clasifican en cuatro categorías principales, [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] con una quinta categoría miscelánea que abarca todo.

  • Aleaciones alfa que contienen únicamente elementos de aleación neutros (como el estaño ) y/o estabilizadores alfa (como el aluminio o el oxígeno ). Estas no son tratables térmicamente. Algunos ejemplos son: [ 5 ] Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
  • Las aleaciones casi alfa contienen una pequeña cantidad de fase beta dúctil . Además de los estabilizadores de fase alfa, las aleaciones casi alfa se alean con un 1-2% de estabilizadores de fase beta, como molibdeno , silicio o vanadio . Algunos ejemplos son [ 5 ] Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo, IMI 685 y Ti 1100.
  • Aleaciones alfa-beta, que son metaestables y generalmente incluyen alguna combinación de estabilizadores alfa y beta, y que pueden ser tratadas térmicamente. Ejemplos incluyen: [ 5 ] Ti-6Al-4V , Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb y Ti62A. [ 6 ]
  • Aleaciones beta y casi beta, que son metaestables y que contienen suficientes estabilizadores beta (como molibdeno, silicio y vanadio) para permitirles mantener la fase beta cuando se enfrían bruscamente , y que también pueden ser tratadas en solución y envejecidas para mejorar la resistencia. Ejemplos incluyen: [ 5 ] Ti-10V-2Fe-3Al , Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr, [ 7 ] Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C y Ti-15-3.
  • Aunque no se comercializan en Occidente , se han producido aleaciones binarias de titanio con magnesio , potasio , calcio y litio en un recipiente a presión de fusión por arco a hasta 140 atmósferas. [ 8 ]

titanio alfa

El titanio puro es titanio alfa.

Beta-titanio

Las aleaciones de titanio beta presentan la forma alotrópica BCC del titanio (denominada beta). [ 9 ] Los elementos utilizados en esta aleación son uno o más de los siguientes, además del titanio, en cantidades variables: molibdeno , vanadio , niobio , tantalio , circonio , manganeso , hierro , cromo , cobalto , níquel y cobre .

Las aleaciones de titanio beta tienen una excelente conformabilidad y se pueden soldar fácilmente. [ 10 ]

El titanio beta se utiliza ampliamente en ortodoncia y se adoptó para su uso en esta disciplina en la década de 1980. [ 10 ] Este tipo de aleación reemplazó al acero inoxidable para ciertos usos, ya que este último había dominado la ortodoncia desde la década de 1960. Posee una relación resistencia/módulo de elasticidad casi el doble que la del acero inoxidable austenítico 18-8, mayores deflexiones elásticas en los resortes y una fuerza por unidad de desplazamiento reducida 2,2 veces menor que la de los aparatos de acero inoxidable.

Algunas de las aleaciones de titanio beta pueden convertirse en titanio omega hexagonal duro y quebradizo a temperaturas criogénicas [ 11 ] o bajo la influencia de radiación ionizante. [ 12 ]

Omega-titanio

Temperatura de transición

La estructura cristalina del titanio a temperatura y presión ambiente es una fase α hexagonal compacta con una relación ac/a de 1,587. Aproximadamente a 890  °C, el titanio experimenta una transformación alotrópica a una fase β cúbica centrada en el cuerpo, que permanece estable hasta la temperatura de fusión.

Algunos elementos de aleación, denominados estabilizadores alfa, elevan la temperatura de transición alfa-beta , [ i ] mientras que otros (estabilizadores beta) la disminuyen. El aluminio, el galio , el germanio , el carbono , el oxígeno y el nitrógeno son estabilizadores alfa. El molibdeno , el vanadio , el tantalio , el niobio , el manganeso , el hierro , el cromo , el cobalto , el níquel , el cobre y el silicio son estabilizadores beta. [ 13 ]

Propiedades

En general, la fase beta del titanio es la más dúctil, mientras que la fase alfa es más resistente pero menos dúctil, debido al mayor número de planos de deslizamiento en la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) de la fase beta en comparación con la fase alfa hexagonal compacta (hcp) . El titanio en fase alfa-beta presenta propiedades mecánicas intermedias entre ambas.

El dióxido de titanio se disuelve en el metal a altas temperaturas, y su formación es muy energética. Estos dos factores implican que todo el titanio, excepto el más cuidadosamente purificado, contiene una cantidad significativa de oxígeno disuelto , por lo que puede considerarse una aleación de Ti-O. Los precipitados de óxido aportan cierta resistencia (como se mencionó anteriormente), pero no responden bien al tratamiento térmico y pueden disminuir considerablemente la tenacidad de la aleación.

Many alloys also contain titanium as a minor additive, but since alloys are usually categorized according to which element forms the majority of the material, these are not usually considered to be "titanium alloys" as such. See the sub-article on titanium applications.

Titanium alone is a strong, light metal. It is stronger than common, low-carbon steels, but 45% lighter. It is also twice as strong as weak aluminium alloys but only 60% heavier. Titanium has outstanding corrosion resistance to seawater, and thus is used in propeller shafts, rigging and other parts of boats that are exposed to seawater. Titanium and its alloys are used in airplanes, missiles, and rockets where strength, low weight, and resistance to high temperatures are important.[14][15][16]

Since titanium does not react within the human body, it and its alloys are used in artificial joints, screws, and plates for fractures, and for other biological implants. See: Titanium orthopedic implants.

Titanium grades

Titanium alloy products

The ASTM International standard on titanium and titanium alloy seamless pipe references the following alloys, requiring the following treatment:[17]

  • Grades 5, 23, 24, 25, 29, 35, or 36: Annealed or aged.
  • Grades 9, 18, 28, or 38: Cold-worked and stress-relieved or annealed.
  • Grades 9, 18, 23, 28, or 29: Transformed-beta condition.
  • Grades 19, 20, or 21: Solution-treated or solution-treated and aged.

Materials with an H in the grade name (2H, 7H, 16H, 26H) are specified. These are identical to the corresponding numbered grade but with a higher minimum ultimate tensile strength. They are primarily intended for pressure vessel use.[17]

Titanium alloys make lightweight products like pocketknives
Grade 1
Is the most ductile and softest titanium alloy. It is a good solution for cold forming and corrosive environments. ASTM/ASME SB-265 provides the standards for commercially pure titanium sheet and plate.[18]
Grade 2 and 2H
Unalloyed titanium, standard oxygen. 2H has a 58 ksi (400 MPa) minimum ultimate tensile strength.
Grade 3
Unalloyed titanium, medium oxygen.
Grade 4
Unalloyed.
Grade 5
Also known as Ti6Al4V, Ti-6Al-4V or Ti 6-4.
Turbine blade made from titanium alloy
No confundir con Ti-6Al-4V-ELI (Grado 23), esta es la aleación más utilizada. Tiene una composición química de 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,25% (máximo) de hierro , 0,2% (máximo) de oxígeno y el resto titanio. [ 19 ] Es significativamente más resistente que el titanio comercialmente puro (Grados 1-4) mientras tiene la misma rigidez y propiedades térmicas (excluyendo la conductividad térmica, que es aproximadamente un 60% menor en Ti Grado 5 que en CP Ti). [ 20 ] Entre sus muchas ventajas, es tratable térmicamente. Este grado combina resistencia, resistencia a la corrosión, soldabilidad y fabricabilidad. Generalmente, Ti-6Al-4V se utiliza en aplicaciones de hasta 400 °C (752 °F) .  
Sexto grado
Contiene un 5 % de aluminio y un 2,5 % de estaño. También se conoce como Ti-5Al-2,5Sn. Esta aleación se utiliza en fuselajes y motores a reacción debido a su buena soldabilidad, estabilidad y resistencia a altas temperaturas. [ 21 ]
La sección transversal del riel se utilizó para publicitar la aleación de titanio ya en 1913.
Grado 7 y 7H
Contiene entre 0,12 y 0,25 % de paladio . Este grado es similar al Grado 2. La pequeña cantidad de paladio añadida le confiere una mayor resistencia a la corrosión por hendidura a bajas temperaturas y pH elevado . El Grado 7H tiene una resistencia mínima a la tracción de 58 ksi (400 MPa) . [ 22 ]  
Noveno grado
Contiene un 3,0 % de aluminio y un 2,5 % de vanadio. Este grado representa un punto intermedio entre la facilidad de soldadura y fabricación de los grados "puros" y la alta resistencia del Grado 5. Se utiliza comúnmente en tuberías para sistemas hidráulicos de aeronaves y en equipamiento deportivo.
Grado 11
Contiene entre 0,12 y 0,25 % de paladio. Este grado tiene una mayor resistencia a la corrosión. [ 23 ]
Grado 12
Contiene 0,3 % de molibdeno y 0,8 % de níquel. Esta aleación tiene una excelente soldabilidad. [ 23 ]
Grados 13, 14 y 15
Todos contienen un 0,5% de níquel y un 0,05% de rutenio .
Grado 16 y 16H
Contiene entre 0,04 y 0,08 % de paladio. Este grado presenta una mayor resistencia a la corrosión. [ 24 ]
Grado 17
Contiene entre 0,04 y 0,08 % de paladio. Este grado presenta una mayor resistencia a la corrosión. [ 24 ]
Grado 18
Contiene un 3 % de aluminio, un 2,5 % de vanadio y entre un 0,04 % y un 0,08 % de paladio. Este grado es idéntico al Grado 9 en cuanto a características mecánicas. El paladio añadido le confiere una mayor resistencia a la corrosión. [ 24 ]
Grado 19
Contiene un 3% de aluminio, un 8% de vanadio, un 6% de cromo, un 4% de circonio y un 4% de molibdeno.
Grado 20
Contiene un 3% de aluminio, un 8% de vanadio, un 6% de cromo, un 4% de circonio, un 4% de molibdeno y entre un 0,04% y un 0,08% de paladio.
Grado 21
Contiene un 15 % de molibdeno, un 3 % de aluminio, un 2,7 % de niobio y un 0,25 % de silicio.
Grado 23
También conocido como Ti-6Al-4V-ELI o TAV-ELI.
Disco espinal impreso en 3D de aleación de titanio.
Contiene 6 % de aluminio, 4 % de vanadio y 0,13 % (máximo) de oxígeno. ELI significa "intersticial extra bajo". La reducción de los elementos intersticiales oxígeno y hierro mejora la ductilidad y la tenacidad a la fractura con cierta reducción de la resistencia. [ 23 ] TAV-ELI es la aleación de titanio de grado médico más utilizada para implantes . [ 23 ] [ 25 ] Debido a su alta biocompatibilidad, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga y bajo módulo de elasticidad , que se asemeja mucho al hueso humano, TAV-ELI es la aleación de titanio de grado médico más utilizada para implantes. [ 26 ] [ 27 ]
Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V-ELI incluyen: [ 25 ]
  • AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
  • ASTM: B265, B348, F136
  • MIL: T9046 T9047
Grado 24
Contiene un 6% de aluminio, un 4% de vanadio y entre un 0,04% y un 0,08% de paladio.
Grado 25
Contiene un 6% de aluminio, un 4% de vanadio, entre un 0,3% y un 0,8% de níquel y entre un 0,04% y un 0,08% de paladio.
Grados 26, 26H y 27
Un hexágono formado por soldadura por agitación térmica de una aleación de titanio.
Todos contienen entre un 0,08 y un 0,14 % de rutenio.
Grado 28
Contiene un 3% de aluminio, un 2,5% de vanadio y entre un 0,08% y un 0,14% de rutenio.
Grado 29
Contiene un 6% de aluminio, un 4% de vanadio y entre un 0,08% y un 0,14% de rutenio.
Grados 30 y 31
Contienen un 0,3% de cobalto y un 0,05% de paladio.
Grado 32
Contiene un 5% de aluminio, un 1% de estaño, un 1% de circonio, un 1% de vanadio y un 0,8% de molibdeno.
Grados 33 y 34
Contienen 0,4 % de níquel, 0,015 % de paladio, 0,025 % de rutenio y 0,15 % de cromo. Ambos grados son idénticos, salvo pequeñas diferencias en el contenido de oxígeno y nitrógeno. [ 24 ] Estos grados contienen de 6 a 25 veces menos paladio que el Grado 7 y, por lo tanto, son menos costosos, pero ofrecen un rendimiento de corrosión similar gracias al rutenio añadido. [ 28 ]
Grado 35
Contiene 4,5% de aluminio, 2% de molibdeno, 1,6% de vanadio, 0,5% de hierro y 0,3% de silicio.
Grado 36
Contiene un 45% de niobio.
Grado 37
Contiene un 1,5% de aluminio.
Grado 38
Contiene un 4 % de aluminio, un 2,5 % de vanadio y un 1,5 % de hierro. Este grado se desarrolló en la década de 1990 para su uso como blindaje. El hierro reduce la cantidad de vanadio necesaria como estabilizador beta. Sus propiedades mecánicas son muy similares a las del grado 5, pero presenta una buena trabajabilidad en frío, similar a la del grado 9. [ 29 ]

Tratamiento térmico

Aleación de titanio utilizada en la montura de las gafas de sol

Las aleaciones de titanio se someten a tratamiento térmico por diversas razones, siendo las principales aumentar su resistencia mediante el tratamiento térmico de solución y el envejecimiento, así como optimizar propiedades especiales, como la tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fluencia a altas temperaturas.

Las aleaciones alfa y casi alfa no se modifican drásticamente mediante tratamiento térmico. El alivio de tensiones y el recocido son los procesos que se pueden emplear para esta clase de aleaciones de titanio. Los ciclos de tratamiento térmico para las aleaciones beta difieren significativamente de los de las aleaciones alfa y alfa-beta. Las aleaciones beta no solo se pueden someter a alivio de tensiones o recocido, sino también a tratamiento térmico de solución y envejecimiento. Las aleaciones alfa-beta son aleaciones bifásicas, compuestas por fases alfa y beta a temperatura ambiente. La composición, el tamaño y la distribución de las fases en las aleaciones alfa-beta se pueden manipular dentro de ciertos límites mediante tratamiento térmico, lo que permite ajustar sus propiedades.

Aleaciones alfa y casi alfa
La microestructura de las aleaciones alfa no se puede modificar significativamente mediante tratamiento térmico, ya que no experimentan cambios de fase importantes. Por consiguiente, no se puede lograr una alta resistencia en las aleaciones alfa mediante tratamiento térmico. Sin embargo, las aleaciones de titanio alfa y casi alfa sí se pueden someter a alivio de tensiones y recocido.
Aleaciones alfa-beta
Mediante el procesamiento térmico de aleaciones alfa-beta por debajo o por encima de su temperatura de transición, se pueden lograr importantes cambios microestructurales, lo que puede resultar en un endurecimiento sustancial del material. El tratamiento térmico de solución, combinado con el envejecimiento, se utiliza para obtener la máxima resistencia en las aleaciones alfa-beta. Asimismo, se aplican otros tratamientos térmicos, como los de alivio de tensiones, a este grupo de aleaciones de titanio.
Aleaciones beta
En las aleaciones beta comerciales, se pueden combinar tratamientos de alivio de tensiones y de envejecimiento.

Aplicaciones

Estructuras aeroespaciales

El titanio se utiliza habitualmente en la aviación por su resistencia a la corrosión y al calor, y por su elevada relación resistencia-peso. Las aleaciones de titanio son generalmente más resistentes que las de aluminio y más ligeras que el acero . Se ha utilizado en los inicios del programa Apolo y en el Proyecto Mercury . [ 30 ]

La aleación Ti-3Al-2.5V, compuesta por un 3 % de aluminio y un 2,5 % de vanadio , fue diseñada para entornos de baja temperatura, manteniendo una alta tenacidad y ductilidad incluso en condiciones criogénicas en el espacio. [ 31 ] Se utiliza en componentes aeroespaciales como estructuras de aeronaves y trenes de aterrizaje . [ 32 ]

Usos arquitectónicos

Revestimiento de titanio del Museo Guggenheim de Frank Gehry en Bilbao

Las aleaciones de titanio se han utilizado ocasionalmente en arquitectura, como en el revestimiento del Museo Guggenheim , cuyo arquitecto es Frank Gehry .

Biomédica

Placa de titanio para la muñeca

Las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente en la fabricación de prótesis articulares ortopédicas metálicas y placas óseas para cirugía. Normalmente se producen a partir de barras forjadas o fundidas mediante mecanizado CNC , mecanizado asistido por CAD o metalurgia de polvos . Cada una de estas técnicas presenta ventajas y desventajas inherentes. Los productos forjados conllevan una pérdida considerable de material durante el mecanizado para obtener la forma final, y en el caso de las muestras fundidas, la obtención de un producto con su forma final limita en cierta medida el procesamiento y tratamiento posterior (por ejemplo, el endurecimiento por precipitación ), aunque la fundición es más eficiente en el uso del material. Los métodos tradicionales de metalurgia de polvos también son más eficientes en el uso del material, pero la obtención de productos completamente densos puede ser un problema común. [ 33 ]

Con la aparición de la fabricación de forma libre sólida ( impresión 3D ), se ha hecho posible producir implantes biomédicos de diseño personalizado (por ejemplo, articulaciones de cadera). Las pruebas muestran que es un 50 % más resistente que la siguiente aleación más resistente de densidad similar utilizada en aplicaciones aeroespaciales. [ 34 ] Si bien actualmente no se aplica a mayor escala, los métodos de fabricación de forma libre ofrecen la posibilidad de reciclar el polvo residual (del proceso de fabricación) y permiten la selección de propiedades deseables y, por lo tanto, el rendimiento del implante. La fusión por haz de electrones (EBM) y la fusión selectiva por láser (SLM) son dos métodos aplicables para la fabricación de forma libre de aleaciones de Ti. Los parámetros de fabricación influyen enormemente en la microestructura del producto, donde, por ejemplo, una velocidad de enfriamiento rápida en combinación con un bajo grado de fusión en SLM conduce a la formación predominante de la fase alfa-prima martensítica, lo que da como resultado un producto muy duro. [ 33 ]

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI
Esta aleación tiene buena biocompatibilidad y no es ni citotóxica ni genotóxica. [ 35 ] El Ti-6Al-4V sufre de baja resistencia al corte y malas propiedades de desgaste superficial en ciertas condiciones de carga: [ 19 ]

Biocompatibilidad : Excelente, especialmente cuando se requiere contacto directo con tejido o hueso. La baja resistencia al cizallamiento del Ti-6Al-4V lo hace inadecuado para tornillos o placas óseas. También presenta malas propiedades de resistencia al desgaste superficial y tiende a atascarse al deslizarse consigo mismo y con otros metales. Los tratamientos superficiales, como la nitruración y la oxidación, pueden mejorar las propiedades de resistencia al desgaste superficial. [ 19 ]

Ti-6Al-7Nb
Esta aleación se desarrolló como un sustituto biomédico del Ti-6Al-4V, ya que el Ti-6Al-4V contiene vanadio, un elemento que ha demostrado efectos citotóxicos cuando se aísla. [ 36 ] : 1 El Ti-6Al-7Nb contiene un 6 % de aluminio y un 7 % de niobio. [ 36 ] : 18

El Ti6Al7Nb es una aleación de titanio de alta resistencia con excelente biocompatibilidad para implantes quirúrgicos. Se utiliza para prótesis de cadera y se emplea clínicamente desde principios de 1986. [ 37 ]

industria automotriz

Las aleaciones de titanio se utilizan en la industria automotriz debido a sus excelentes características. Entre sus principales aplicaciones se incluyen componentes del motor como válvulas y bielas , sistemas de escape , resortes de suspensión y sujetadores . [ 38 ] [ 39 ] Estas aleaciones ayudan a reducir el peso del vehículo, lo que se traduce en una mayor eficiencia de combustible y un mejor rendimiento. [ 40 ] Además, la durabilidad y la resistencia a la corrosión del titanio prolongan la vida útil de las piezas automotrices. Sin embargo, el alto costo y la complejidad de fabricación del titanio limitan su uso principalmente a vehículos de alto rendimiento y de lujo . [ 41 ]

Referencias

Notas
  1. ↑ En un titanio o aleación de titanio, la temperatura de transición alfa-beta es la temperatura por encima de la cual la fase beta se vuelve termodinámicamente favorable.
Fuentes
  1. ↑ "Características de las aleaciones de titanio alfa, alfa beta y beta" . AZO Materials. 17 de agosto de 2004.
  2. ↑ "Titanio alfa frente a titanio beta frente a titanio comercialmente puro" .
  3. ↑ Semiatin, SL (2020). "Una visión general del procesamiento termomecánico de aleaciones de titanio α/β: estado actual y futuras oportunidades de investigación". Metallurgical and Materials Transactions A . 51 (6): 2593– 2625. Bibcode : 2020MMTA...51.2593S . doi : 10.1007/s11661-020-05625-3 .
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