Diferentes tipos de aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio son materiales de ingeniería que se destacan por su alta resistencia, bajo peso y buena resistencia a la corrosión.

Al alear titanio con varios elementos, estas aleaciones pueden desarrollarse para cumplir con los requisitos de rendimiento específicos de diferentes industrias.

Este artículo ofrece una visión-en profundidad de las clasificaciones de las aleaciones de titanio, sus propiedades mecánicas, físicas y térmicas, las industrias donde se encuentran y las consideraciones sobre el mecanizado y el tratamiento térmico.

Las aleaciones alfa son materiales monofásicos-con una estructura cristalina HCP estabilizada por elementos químicos como aluminio, oxígeno, nitrógeno y carbono. Estas aleaciones proporcionan una resistencia moderada, son altamente resistentes a la corrosión-y funcionan bien a altas temperaturas.

No se pueden-tratar térmicamente debido a su estructura monofásica-, lo que restringe el endurecimiento por precipitación.

Los elementos químicos alfa-estabilizadores, en cambio, favorecen la alta resistencia a través del fortalecimiento con solución sólida, pero una aleación excesiva (como una equivalencia de aluminio superior al 9%) podría precipitar intermetálicos frágiles. Las aleaciones proporcionan tenacidad a la fractura y resistencia a la fluencia en ambientes agresivos.

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Las aleaciones de titanio casi-alfa están compuestas principalmente por la fase alfa con entre un 1 % y un 2 % de elementos químicos beta-estabilizadores, como el molibdeno o el silicio, que introducen una pequeña cantidad de fase de aleación beta dúctil.

Estas aleaciones conservan la resistencia a la corrosión y la tenacidad a la fractura de las aleaciones alfa al tiempo que mejoran la trabajabilidad en caliente y poseen una tratabilidad térmica limitada.

Su microestructura, básicamente alfa con partículas beta menores a lo largo de los límites de los granos, exhibe resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas, lo que los hace útiles para algunas aplicaciones.

Las aleaciones alfa-beta tienen dos fases en la microestructura y consisten en mezclas de fases alfa y beta mediante la adición de elementos químicos alfa-estabilizadores, como el aluminio, y elementos químicos beta-estabilizadores, como el vanadio y el molibdeno.

Estas aleaciones son tratables térmicamente y pueden aumentar significativamente su alta resistencia mediante enfriamiento y envejecimiento. En comparación con las aleaciones alfa y casi alfa, la fase beta proporciona buena conformabilidad, resistencia a la fatiga y menos resistencia a la fluencia.

La aleación alfa-beta Ti-6Al-4V tiene propiedades mecánicas equilibradas y utiliza aproximadamente un 50 % de aleación de titanio.

Las aleaciones de beta titanio tienen una estructura BCC estabilizada por una alta concentración de elementos beta-estabilizadores como molibdeno, vanadio o hierro. Estas aleaciones son tratables térmicamente y pueden alcanzar resistencias muy altas mediante la precipitación de finas partículas alfa durante el envejecimiento.

Las aleaciones beta presentan una buena formabilidad en frío y una buena resistencia a la fractura, pero proporcionan una menor ductilidad y resistencia a la fatiga cuando se tratan térmicamente.

Las aleaciones beta metaestables con equivalente de molibdeno 10-30, después de un enfriamiento rápido, permanecen completamente beta y pueden proporcionar alta resistencia para las aplicaciones más exigentes.

Ti-6Al-4V (o ASTM Grado 5) es una aleación de titanio muy utilizada que comprende aproximadamente un 6 % de aluminio y un 4 % de vanadio, con cantidades menores de carbono, nitrógeno e hidrógeno.

Es una aleación alfa-beta que desarrolla resistencias a la tracción en el rango de 895-1100 MPa, es resistente a la corrosión atmosférica y tiene una muy buena relación resistencia-a-peso, lo que la hace preferida en materiales aeroespaciales y biomédicos.

Los procesos de tratamiento térmico-pueden proporcionar las propiedades mecánicas y físicas deseadas, con el tratamiento de solución y el envejecimiento en equilibrio, lo que promueve una alta resistencia y al mismo tiempo mantiene una buena ductilidad.

El combo casi-alfa, Ti-6242, se ha desarrollado a temperaturas elevadas. Contiene 6 % de aluminio, 2 % de estaño, 4 % de circonio y 2 % de molibdeno, lo que le confiere una resistencia superior a la fluencia para mantener una alta resistencia a temperaturas elevadas de hasta 550 grados.

Su microestructura soporta resistencia a la corrosión y estabilidad térmica, por lo que es apto para motores a reacción y otros componentes aeroespaciales de alta-temperatura.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de titanio son fundamentales para las aplicaciones de soporte de carga. Según los datos de MatWeb, la siguiente tabla detalla la resistencia a la tracción, el límite elástico, el alargamiento y la dureza de los grados clave de titanio.

Contiene grados de titanio puro comercial de resistencia media-y alta-ductilidad, de los cuales el grado 4 es el más fuerte entre los grados puros comerciales. Las aleaciones alfa y casi-alfa, como Ti-6242, proporcionan resistencia media y alta tenacidad a la fractura.

Los tipos alfa-beta, como Ti-6Al-4V, ofrecen alta resistencia y resistencia a la fatiga. Por el contrario, las aleaciones beta de alta temperatura, como la Beta C, pueden desarrollarse por encima de 1200 MPa, siendo apropiadas para aplicaciones de alta tensión pero teniendo una ductilidad limitada.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas influyen en la idoneidad de una aleación para aplicaciones que requieren un peso específico o características magnéticas. La siguiente tabla, procedente de MatWeb, detalla la densidad y la gravedad específica.

Las aleaciones de titanio con una densidad que oscila entre 4,4 y 4,8 g/cm³ son mucho más ligeras que otros metales como el acero (7,9 g/cm³), lo que explica su ligereza y gran resistencia. Las aleaciones de titanio son buenas opciones cuando se necesita una baja interferencia magnética, como por ejemplo para requisitos médicos y aeroespaciales.

Propiedades eléctricas

Las aleaciones de titanio tienen una alta resistividad eléctrica (0,42-1,78 μΩ·m) en comparación con otros metales como el cobre (0,017 μΩ·m), por lo que tienen menor conductividad.

La propiedad puede ser un material aislante eléctrico en configuraciones donde la resistencia a la corrosión y la falta de conductividad son más deseadas, como en equipos de procesamiento químico.

Propiedades térmicas

Las propiedades térmicas son críticas para aplicaciones que involucran altas temperaturas. La siguiente tabla detalla la conductividad térmica y la temperatura máxima de servicio.

Las aleaciones de titanio enviadas con baja conductividad térmica las hacen difíciles de mecanizar pero aceptables a altas temperaturas.

Debido a la estabilidad de fase, el titanio comercialmente puro está limitado a 350 grados, mientras que aleaciones como Ti-6Al-4V y Ti-6242 pasan por temperaturas extremas de 400 a 550 grados, respectivamente.

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