Aleación de titanio TC4 frente a TC4ELI: control intersticial, propiedades y equivalentes de grado
Nov 26, 2024
TC4 es la designación china para la aleación de titanio alfa-beta, más conocida como Ti-6Al-4V, una composición desarrollada por primera vez en los Estados Unidos en 1954. En el sistema chino, la aleación se define en la norma de composición de aleación de titanio GB/T 3620.1, que fija un contenido de aluminio de 5,5 a 6,75 por ciento y un contenido de vanadio de 3,5 a 4,5 por ciento, con hierro sujeto a 0,30 por ciento y oxígeno al 0,20 por ciento. El equivalente nominal de aluminio es 6,0 y el equivalente de vanadio 4,0, y en estado recocido la aleación contiene aproximadamente entre un 10 y un 15 por ciento de fase beta.
TC4ELI es la versión intersticial extra-baja-de la misma aleación. El aluminio y el vanadio se mantienen en el mismo rango, pero el oxígeno se reduce al 0,13 por ciento como máximo, el hierro al 0,25 por ciento y el hidrógeno al 0,0125 por ciento. Los equivalentes internacionales son Grado 5 (UNS R56400) para TC4 y Grado 23 (UNS R56407) para TC4ELI.
Química: la tabla de diferencias completa
La siguiente tabla establece las dos composiciones una al lado de la otra, utilizando los límites aplicados en el sistema GB/T 3620.1 y los límites ASTM para los grados equivalentes. Todos los valores son máximos excepto cuando se muestra un rango. El titanio es el equilibrio en ambos casos.
| Elemento | TC4 / Grado 5 (R56400) | TC4ELI / Grado 23 (R56407) | Efecto del límite más estricto |
|---|---|---|---|
| Aluminio | 5.5 - 6.75 % | 5.5 - 6.75 % (5.5 - 6.5 % en grados de implante) | Estabilizador alfa, aumenta la fuerza y la fuerza caliente. |
| Vanadio | 3.5 - 4.5 % | 3.5 - 4.5 % | Estabilizador beta, mejora la ductilidad. |
| Oxígeno | 0.20 % | 0.13 % | El mayor factor de resistencia y vida útil a la fatiga |
| Hierro | 0.30 % | 0.25 % | Reduce la estabilidad de la fase beta y la dureza cuando está alto. |
| Nitrógeno | 0.05 % | 0.03 % | Fuerte fortalecedor, fragiliza las soldaduras. |
| Carbón | 0.08 % | 0.08 % | Controlado para soldabilidad |
| Hidrógeno | 0.015 % | 0.0125 % | Limita la formación de hidruros y el craqueo retardado. |
Qué le hace la brecha intersticial a las propiedades
Bajar oxígeno de 0,20 a 0,13 por ciento cuesta alrededor de 35 a 40 MPa de resistencia a la tracción y reduce el rendimiento de compensación del 0,2 por ciento en una cantidad similar, de 828 MPa mínimo a 795 MPa mínimo en la condición de barra recocida. El alargamiento por tracción se mantiene en un mínimo del 10 por ciento, pero la reducción del área mejora al mínimo del 25 por ciento, y la ganancia más significativa es la tenacidad a la fractura, que normalmente aumenta entre un 15 y un 25 por ciento. Las tasas de crecimiento de grietas por fatiga disminuyen y el límite de fatiga en condiciones de entalladura mejora. Para un implante, un recipiente presurizado o un componente forjado que sufre cargas cíclicas, casi siempre vale la pena realizar ese intercambio. Para un soporte, un sujetador o una pieza mecanizada en general cargada principalmente en tensión estática, generalmente no lo es.
La procesabilidad también cambia. Ambas aleaciones se forjan en el mismo rango de temperatura y responden al mismo tratamiento de solución y ciclo de envejecimiento, pero TC4ELI tiene una ventana más estrecha para la forja beta porque el menor contenido de oxígeno reduce la tolerancia a la contaminación de la superficie. La soldadura es igualmente práctica en ambos, nuevamente con la salvedad de que una soldadura contaminada en material ELI desperdicia toda la ventaja de la tenacidad.
Especificaciones y formularios de productos
Las barras forjadas y el material de forja en TC4 se solicitan según la especificación de barras de aleación de titanio, con productos de barras chinos cubiertos por GB/T 2965 y el equivalente internacional cubierto por ASTM B348 y AMS 4928. Las láminas, tiras y placas siguen GB/T 3621 en el sistema chino y ASTM B265 a nivel internacional, con el grado de lámina aeroespacial emitido como AMS 4911. Los tubos y tuberías utilizan especificaciones tubulares separadas. Para TC4ELI, las aplicaciones médicas y de implantes se rigen por ASTM F136 para Ti-6Al-4V ELI forjado y por ISO 5832-3, y el grado ELI aeroespacial se emite como AMS 4930. Tenga en cuenta que ASTM F1472 cubre la aleación intersticial convencional para implantes quirúrgicos, mientras que ASTM F136 cubre la versión ELI, por lo que los dos documentos no son intercambiables en una orden de compra.
Cómo especificar sin ambigüedad
Una orden de compra debe indicar la designación de la aleación, la forma del producto, las especificaciones aplicables y la clase intersticial. Escribir Ti-6Al-4V sin indicar si se aplican los límites de ELI deja al molino libre para suministrar cualquiera de los dos, y el material resultante puede pasar las pruebas de tracción sin cumplir con el requisito de tenacidad que asumió el diseño. En el certificado, el comprador debe verificar el oxígeno, el hierro, el hidrógeno y las condiciones del tratamiento térmico. Cuando se nominan tanto una especificación china como una internacional, el límite de oxígeno es el campo en el que los dos documentos discrepan con mayor frecuencia, y el más estricto de los dos debería regir el orden.
Preguntas frecuentes
Q:¿Son TC4 y Grado 5 completamente idénticos?
R: Tienen una composición equivalente a efectos prácticos, ya que ambos son Ti-6Al-4V con un límite de oxígeno del 0,20 por ciento. Existen diferencias menores en los rangos permitidos para elementos tramposos y en el programa de pruebas que requiere cada especificación, por lo que la equivalencia debe confirmarse campo por campo en lugar de asumirse.
Q:¿Se puede sustituir TC4ELI por TC4 en un diseño existente?
R: Generalmente es seguro en dirección a niveles más bajos de oxígeno, ya que la resistencia permanece por encima del mínimo de diseño en la mayoría de los casos y la tenacidad mejora. La sustitución inversa es peligrosa, porque un diseño que asumió tenacidad ELI puede fallar cuando se suministra material intersticial convencional.
Q:¿Por qué la versión para implantes de la aleación tensa tanto el aluminio como el oxígeno?
R: Las especificaciones del implante restringen el aluminio a un máximo de 6,5 por ciento y mantienen el vanadio dentro del rango estándar para mantener una biocompatibilidad y una respuesta mecánica consistentes. ASTM F136 aplica esos límites más estrictos a la aleación de calidad de implante-.
Q:¿La máquina TC4ELI es diferente a la TC4?
R: El comportamiento de corte es muy similar porque la dureza y la conductividad térmica son similares, pero el menor contenido intersticial significa menos bruñido del borde de la herramienta y una integridad superficial ligeramente mejor con los mismos parámetros. Cualquier ventaja se pierde si se deja en su lugar una capa superficial contaminada o sobrecalentada.
Q:¿Qué aleación se debe elegir para un recipiente a presión criogénico?
R: El material ELI generalmente se prefiere a temperaturas muy bajas porque la tenacidad es la propiedad rectora y el contenido intersticial la controla directamente. La aleación intersticial convencional sigue siendo aceptable cuando los niveles de tensión son bajos y la temperatura de diseño está muy por encima del rango de preocupación de dúctil-a-frágil para la sección.
Q:¿Es significativa la diferencia en el límite elástico en el diseño?
R: El rendimiento de compensación mínimo del 0,2 por ciento cae de 828 MPa a 795 MPa cuando se pasa al grado ELI, una reducción de aproximadamente el 4 por ciento. Los permisibles de diseño se establecen a partir del mínimo, por lo que la reducción debe reflejarse en el análisis de tensiones en lugar de tratarse como insignificante.
