Aleación de titanio: seis propiedades importantes que los ingenieros deben conocer

¿Qué define una aleación de titanio?

Una aleación de titanio es una aleación de titanio con elementos como aluminio, vanadio, molibdeno, estaño y circonio para ajustar la resistencia, la resistencia a la fluencia y el comportamiento a la corrosión. El control de impurezas es fundamental: oxígeno, nitrógeno, carbono e hidrógeno son elementos intersticiales cuyo contenido, especificado como máximo en ASTM B265 y GB/T 3621, mueve el equilibrio entre resistencia y ductilidad. Seis propiedades dominan las decisiones de ingeniería y cada una conlleva una consecuencia de diseño.

1. Alta fuerza específica

Las aleaciones de titanio tienen una densidad de aproximadamente 4,43-4,51 g/cm3, aproximadamente el 60% del acero, mientras que los grados de alta-resistencia superan la resistencia a la tracción de muchos aceros estructurales. Ti-6Al-4V en estado recocido muestra una resistencia a la tracción mínima de 895 MPa y un rendimiento de 828 MPa según ASTM B265. La relación resistencia-densidad está por encima de las aleaciones de aluminio y la mayoría de los aceros, razón por la cual el titanio se utiliza para piezas de motores de aviones, marcos, revestimientos, sujetadores y trenes de aterrizaje, donde se presupuesta cada kilogramo.

2. Resistencia térmica

Las aleaciones de titanio conservan una resistencia útil a temperaturas en las que las aleaciones de aluminio se ablandan. Las aleaciones alfa-beta como Ti-6Al-4V se utilizan hasta aproximadamente 350-400 grados en servicio a largo plazo, y las aleaciones casi alfa como Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo funcionan a 450-540 grados. Las aleaciones de aluminio pierden su ventaja por encima de los 150 grados, por lo que los componentes del compresor y del escape de los motores pasan a ser aleaciones de titanio o níquel a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento.

3. Resistencia a la corrosión

El titanio forma una película de óxido densa y autorreparable que pasiva la superficie en medios oxidantes, neutros y ligeramente reductores. Resiste el agua de mar, los cloruros, el ácido nítrico, los ácidos orgánicos y los álcalis mejor que el acero inoxidable en la mayoría de los ambientes con cloruros, y no sufre el ataque de picaduras y grietas que limita el acero inoxidable austenítico en el servicio marítimo. La película se regenera en milisegundos cuando se daña, razón por la cual los equipos de titanio en las plantas cloro-alcalinas y desalinizadoras funcionan durante décadas. La excepción son los medios reductores como el ácido clorhídrico o sulfúrico caliente, donde se especifican aleaciones que contienen paladio-(grado 7) o molibdeno-níquel (grado 12).

4. Dureza a baja-temperatura

A diferencia del acero al carbono, el titanio no se vuelve quebradizo a bajas temperaturas. Las aleaciones alfa con bajo contenido intersticial, como Ti-5Al-2,5Sn, conservan la ductilidad y la tenacidad hasta -253 grados, y el titanio es un material estándar para recipientes criogénicos, equipos de GNL y tanques de propulsor de cohetes. Los diseñadores utilizan la misma familia de aleaciones a -253 grados y a 500 grados, lo que simplifica la calificación.

5. Alta reactividad química

El titanio es químicamente activo a temperaturas elevadas: por encima de aproximadamente 600 grados absorbe oxígeno y nitrógeno del aire, formando una carcasa alfa dura y quebradiza; La captación de hidrógeno provoca fragilización por hidruro. Las consecuencias para la fabricación son concretas: el trabajo en caliente y la soldadura necesitan atmósferas controladas o vacío, el mecanizado debe retirar la carcasa alfa antes del servicio y las chispas de pulido del titanio pueden encenderse. Estas limitaciones, no el precio del material, determinan gran parte del coste de las piezas de titanio.

6. Baja conductividad térmica y módulo elástico

El titanio conduce calor a aproximadamente 15-17 W/(m·K) a temperatura ambiente, aproximadamente un-quinto del hierro y un-catorceavo del aluminio, y su módulo de elasticidad es aproximadamente la mitad que el del acero. La baja conductividad concentra el calor de corte en el borde de la herramienta, lo que exige herramientas de carburo y refrigerante; el módulo bajo significa mayor recuperación elástica en el conformado y menor rigidez en componentes delgados. Los diseñadores compensan con la geometría de la sección en lugar de asumir un comportamiento similar al del acero.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es el punto de fusión del titanio?

El titanio puro se funde a 1668 grados. Los elementos de aleación desplazan ligeramente el solidus; El Ti-6Al-4V se funde en un rango de alrededor de 1600-1660 grados, por lo que las prácticas de fusión y soldadura se definen muy por debajo de estas temperaturas.

¿Por qué es caro mecanizar el titanio?

Su baja conductividad térmica atrapa el calor en el filo, se endurece-y reacciona con los materiales de las herramientas a altas temperaturas. Esto obliga a velocidades de corte lentas, máquinas rígidas, inundaciones de refrigerante y cambios frecuentes de herramientas.

¿El titanio se corroe en el agua de mar?

No. La película de óxido pasiva hace que el titanio sea efectivamente inmune a la corrosión del agua de mar, incluido el ataque de picaduras y grietas a temperatura ambiente, razón por la cual es estándar para intercambiadores de calor marinos y tuberías costa afuera.

¿Cuál es el caso alfa en titanio?

El caso alfa es una capa superficial dura enriquecida con oxígeno- y nitrógeno-que se forma cuando el titanio se calienta en aire a más de 600 grados aproximadamente. Es frágil y debe eliminarse mediante mecanizado o fresado químico antes de que la pieza entre en servicio.

¿Qué normas especifican las propiedades de la aleación de titanio?

Las especificaciones comunes son ASTM B265 (láminas, tiras y placas), ASTM B348 (barras y tochos), ASTM B338 y B861 (tubos y tuberías), GB/T 3621 (placas y láminas chinas) e ISO 5832 para aleaciones para implantes, cada una con tablas químicas y de tracción para cada grado.