Defectos de forja de aleación de titanio: causas, detección y prevención

Por qué la forja de titanio es menos indulgente que el acero

El titanio se forja en una ventana de temperatura estrecha y conduce mal el calor, por lo que las diferencias entre la superficie y el centro de un tocho son mayores de lo que serían en el acero. Las aleaciones alfa y alfa-beta son especialmente sensibles al sobrecalentamiento y los defectos que se derivan de un mal ciclo de calentamiento a menudo no son recuperables. Comprender qué defectos pueden corregirse y qué significan que la pieza es desechada es la diferencia entre un proceso controlable y una tasa de desechado que nadie puede explicar.

Fragilidad beta por sobrecalentamiento

La fragilidad beta es causada por el sobrecalentamiento. En las aleaciones alfa y alfa-beta, y particularmente en los grados alfa-beta, una temperatura de forjado por encima del transus beta produce una estructura de grano beta anterior-gruesa y equiaxial con alfa precipitado a lo largo de los límites de los granos y una estructura intracristalina estriada. La plasticidad a temperatura ambiente disminuye drásticamente. Esta es la clásica firma del sobrecalentamiento.

El sobrecalentamiento no se puede reparar mediante tratamiento térmico. La estructura debe descomponerse reelaborando el material por debajo del transus beta, y sólo si la geometría de forja y el material restante lo permiten. La prevención se basa en el control del horno: mantener la temperatura del horno dentro de un rango calificado, inspeccionar la cámara periódicamente, colocar la carga de manera que las piezas de trabajo no estén demasiado cerca de los elementos calefactores, usar deflectores en ambos lados en los hornos calentados por resistencia-para evitar el sobrecalentamiento localizado y limitar el tamaño de la carga. Medir la transmisión beta real del calor de la aleación en cada horno es una protección adicional eficaz, ya que la transmisión se mueve con el contenido intersticial.

Grano grueso localizado

En la forja con martillo y prensa, la mala conductividad térmica del titanio significa que la superficie del tocho se enfría notablemente al contacto con el troquel, y la fricción entre la pieza de trabajo y los troqueles superior e inferior concentra la deformación en el medio del tocho. La superficie se deforma menos, su estructura original sobrevive y se produce una banda de grano localmente gruesa.

Tres medidas lo abordan. Una operación de pre-forjado distribuye la deformación de manera más uniforme en la pasada de acabado. Una mejor lubricación reduce la fricción entre el tocho y el troquel. Y un precalentamiento minucioso de las matrices reduce la caída de temperatura que sufre la palanquilla durante la transferencia y el contacto.

Grietas superficiales

Las grietas superficiales aparecen principalmente cuando la temperatura de acabado cae por debajo de la temperatura de recristalización total de la aleación. En la forja con matriz, la causa habitual es un tiempo de contacto excesivo entre el tocho y la matriz: debido a que el titanio conduce mal el calor, la superficie puede caer por debajo de la temperatura de acabado permitida mientras el centro aún está caliente. Las soluciones estándar son el lubricante para vidrio en el forjado con troquel de prensa y un tiempo de contacto más corto entre la pieza en bruto y el troquel inferior en el forjado con martillo. Las grietas son poco profundas y a veces pueden eliminarse mediante mezcla, pero sólo dentro de los límites establecidos por el dibujo y por la especificación de forjado aplicable.

Estructura fundida retenida

Cuando un lingote se forja con una reducción insuficiente o con una secuencia incorrecta, la estructura fundida sobrevive hasta convertirse en la pieza terminada. La solución se basa en el proceso-en lugar de en la inspección-: aumentar la proporción de forjado y utilizar recalcados y estirados repetidos para que las dendritas fundidas se rompan y las líneas de flujo sigan el contorno de la pieza. Una forja con estructura fundida retenida muestra una macroestructura característica en una pieza de prueba seccionada y grabada.

Bandas brillantes

Las bandas brillantes son visibles en la macroestructura de bajo aumento-como rayas de diferente brillo que el metal circundante. Dependiendo del ángulo de iluminación, pueden aparecer más claros o más oscuros que el material base. En una sección transversal-se muestran como puntos o escamas; en una sección longitudinal se presentan como rayas suaves que pueden tener desde diez milímetros hasta varios metros de largo.

Hay dos causas. La primera es la segregación química en la aleación, generalmente de elementos que afectan la respuesta al grabado. El segundo es el calentamiento por deformación durante la forja, donde la temperatura varía demasiado de un punto a otro de la pieza de trabajo. Las bandas brillantes degradan la plasticidad y el rendimiento a altas-temperaturas, por lo que la prevención significa controlar la segregación en la etapa de fusión y elegir parámetros de forjado térmico, temperatura de calentamiento, grado de deformación y velocidad de deformación, que mantienen bajo control la distribución de temperatura en la forja.

Caso Alfa

La capa de fragilización alfa se forma cuando el oxígeno y el nitrógeno se difunden hacia el interior a través de las incrustaciones de óxido sueltas a alta temperatura, elevando el contenido intersticial de la superficie del metal. A medida que aumenta el contenido de oxígeno y nitrógeno de la superficie, también aumenta la proporción de fase alfa, hasta que la capa superficial puede ser completamente alfa. Esa capa es dura y quebradiza, y en un tocho o en una forja puede agrietarse durante la deformación posterior.

El espesor depende del tipo de horno, la naturaleza del gas del horno, la temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento. El espesor aumenta con la temperatura, el tiempo de mantenimiento y el contenido de oxígeno y nitrógeno de la atmósfera del horno. Las aleaciones alfa, beta y alfa-beta pueden formar la capa, y las aleaciones alfa son especialmente propensas a ello; Las aleaciones beta lo resisten hasta que se calientan por encima de aproximadamente 980 grados. La capa debe eliminarse mediante decapado o mecanizado, y la profundidad permitida en un plano de forja es una dimensión real, sin tolerar holguras.

Fragilización por hidrógeno

Operan dos mecanismos. En la fragilización por envejecimiento por deformación-, los átomos de hidrógeno en los sitios de la red intersticial se difunden bajo tensión y se acumulan en concentraciones de tensión con el tiempo, fijando las dislocaciones de modo que no pueden moverse libremente y volviendo quebradiza la matriz. En la fragilización de tipo hidruro, el hidrógeno disuelto a alta temperatura precipita en forma de hidruro a medida que desciende la temperatura, fragilizando la aleación. Ambos pueden ocurrir en el titanio y sus aleaciones.

La causa fundamental en ambos casos es un contenido excesivo de hidrógeno, por lo que las aleaciones industriales de titanio deben mantenerse en un nivel igual o inferior al 0,015 %. La prevención durante la forja y el tratamiento térmico implica utilizar una atmósfera de horno ligeramente oxidante y, cuando el hidrógeno ya supera el límite, el recocido al vacío es la vía para eliminarlo. El contenido de hidrógeno se mide en el producto terminado mediante fusión de gas inerte según ASTM E1447, y un certificado de forja debe indicar el resultado en lugar de la intención.

Detección y Aceptación

ASTM B381 cubre las piezas forjadas de aleaciones de titanio y establece las clases de calidad y los requisitos de examen que puede exigir una orden de compra; AMS 4928 cubre la barra de Ti-6Al-4V, material de forja y ruta de forjado utilizados en trabajos aeroespaciales. La aceptación mecánica se realiza mediante pruebas de tracción según ASTM E8/E8M, con pruebas de rotura por tensión y tracción a temperatura elevada para piezas de sección caliente. La solidez interna normalmente se verifica mediante examen ultrasónico y el estado de la superficie mediante examen con penetrantes. La carcasa alfa y la microestructura se verifican en cupones seccionados de una forja de sacrificio o de calificación.

Preguntas frecuentes

Q:¿Se puede recuperar una pieza forjada de titanio sobrecalentada mediante un re-tratamiento térmico?
R: No. La estructura transformada gruesa no se puede revertir únicamente mediante tratamiento térmico. La recuperación requiere deformación plástica por debajo del transus beta, y sólo donde la geometría y el stock restante lo permitan.

Q:¿Por qué el titanio se forja con una ventana más estrecha que el acero?
R: Debido a que el transus beta establece un límite superior estricto y la baja conductividad térmica hace que la diferencia de temperatura entre la superficie-y-el centro sea grande. La ventana utilizable se reduce aún más por la necesidad de terminar por encima de la temperatura de recristalización.

Q:¿Cuál es el contenido máximo de hidrógeno permitido?
A: 0,015 % para aleaciones industriales de titanio. Por encima de ese nivel, tanto el envejecimiento por deformación-como la fragilización de tipo hidruro se convierten en un riesgo real, y se requiere recocido al vacío para reducirlo.

Q:¿Las aleaciones beta forman un caso alfa?
R: Resisten mejor que las aleaciones alfa y alfa-beta y no formarán la capa hasta que se calienten por encima de aproximadamente 980 grados. Las aleaciones alfa son las más sensibles y necesitan el control atmosférico más estricto.

Q:¿Qué profundidad tiene la caja alfa en una forja típica?
R: La profundidad depende de la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno. Debe eliminarse mediante decapado o mecanizado, y el margen de embutición para la profundidad afectada es un requisito del proceso más que una tolerancia.

Q:¿Qué causa las bandas brillantes en una macroestructura de titanio forjado?
R: Segregación química en la aleación o variación excesiva de temperatura debido al calentamiento por deformación durante la forja. Ambos degradan la plasticidad y el rendimiento a altas-temperaturas y se controlan durante la fusión y la prensa.