Aleaciones de titanio

aleaciones de titanio son aleaciones que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y tenacidad muy elevadas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Sin embargo, el alto costo tanto de las materias primas como del procesamiento limita su uso a aplicaciones militares, aviones, naves espaciales, bicicletas, dispositivos médicos, joyería, componentes sometidos a grandes esfuerzos como las bielas de costosos autos deportivos y algunos equipos deportivos y electrónicos de consumo de primera calidad.

Aunque "comercialmente puro" El titanio tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales; para la mayoría de las aplicaciones, el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, normalmente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía dramáticamente con la temperatura, lo que le permite sufrir fortalecimiento por precipitación. Este proceso de tratamiento térmico se lleva a cabo después de que la aleación haya adquirido su forma final, pero antes de su uso, lo que permite una fabricación mucho más sencilla de un producto de alta resistencia.

Categorías

Las aleaciones de titanio generalmente se clasifican en cuatro categorías principales:

• Aleaciones alfa que contienen elementos neutrales de aleación (como la lata) y/o estabilizadores alfa (como aluminio o oxígeno) solamente. Estos no son tratables de calor. Ejemplos incluyen: Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
• Las aleaciones casi alfa contienen poca cantidad de beta-fase dúctil. Además de los estabilizadores de fase alfa, las aleaciones cercanas al alfa están aleadas con 1–2% de los estabilizadores de fase beta como molibdeno, silicio o vanadio. Ejemplos son: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo, IMI 685, Ti 1100.
• Aleaciones alfa y beta, que son metástasis y generalmente incluyen alguna combinación de estabilizadores alfa y beta, y que pueden ser tratados con calor. Ejemplos son: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb y Ti62A
• Beta y aleaciones cercanas a beta, que son metástasis y que contienen suficientes estabilizadores beta (como molibdeno, silicio y vanadio) para permitirles mantener la fase beta cuando se apaga, y que también puede ser solución tratada y envejecida para mejorar la fuerza. Ejemplos son: Ti-10V-2Fe-3Al, Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15-3.

Beta-titanio

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

Las aleaciones de titanio tienen una excelente conformabilidad y se pueden soldar fácilmente.

Hoy en día, el titanio beta se utiliza ampliamente en el campo de la ortodoncia y se adoptó para su uso en la ortodoncia en la década de 1980. Este tipo de aleación reemplazó al acero inoxidable para ciertos usos, ya que el acero inoxidable había dominado la ortodoncia desde la década de 1960. Tiene relaciones resistencia/módulo de elasticidad casi el doble que las del acero inoxidable austenítico 18-8, mayores deflexiones elásticas en los resortes y fuerza reducida por unidad de desplazamiento 2,2 veces menor que la de los electrodomésticos de acero inoxidable.

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

Temperatura de transición

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

Algunos elementos de aleación, llamados estabilizadores alfa, aumentan la temperatura de transición alfa a beta, mientras que otros (estabilizadores beta) reducen la temperatura de transición. El aluminio, el galio, el germanio, el carbono, el oxígeno y el nitrógeno son estabilizadores alfa. Molibdeno, vanadio, tantalio, niobio, manganeso, hierro, cromo, cobalto, níquel, cobre y silicio son estabilizadores beta.

Propiedades

Generalmente, el titanio en fase beta es la fase más dúctil y la fase alfa es más fuerte pero menos dúctil, debido al mayor número de planos de deslizamiento en la estructura bcc de la fase beta en comparación con la fase alfa hcp. El titanio en fase alfa-beta tiene una propiedad mecánica que se encuentra entre ambas.

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

Muchas aleaciones también contienen titanio como aditivo menor, pero dado que las aleaciones generalmente se clasifican según el elemento que forma la mayor parte del material, generalmente no se consideran "aleaciones de titanio" como tal. Consulte el subartículo sobre aplicaciones del titanio.

El titanio por sí solo es un metal fuerte y ligero. Es más resistente que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45 % más ligero. También es dos veces más resistente que las aleaciones de aluminio débiles, pero sólo un 60% más pesado. El titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión del agua de mar y, por lo tanto, se utiliza en ejes de hélice, aparejos y otras partes de embarcaciones expuestas al agua de mar. El titanio y sus aleaciones se utilizan en aviones, misiles y cohetes donde la fuerza, el bajo peso y la resistencia a altas temperaturas son importantes. Además, dado que el titanio no reacciona dentro del cuerpo humano, él y sus aleaciones se utilizan en articulaciones artificiales, tornillos y placas para fracturas y para otros implantes biológicos. Ver: Implantes ortopédicos de titanio.

Calidades de titanio

La norma ASTM International sobre tuberías sin costura de titanio y aleaciones de titanio hace referencia a las siguientes aleaciones, que requieren el siguiente tratamiento:

"Las aleaciones se pueden suministrar en las siguientes condiciones: los grados 5, 23, 24, 25, 29, 35, o 36 aniquilados o envejecidos; los grados 9, 18, 28, 38 trabajados en frío y soportados por el estrés o alimentados; los grados 9, 18, 23, 28, o 29 estado transformado-beta; y los grados 19, 20 o 21 tratados con soluciones o envejecidos".

"Note 1—H grade material es idéntico al grado numérico correspondiente (es decir, Grado 2H = Grado 2) excepto para el UTS mínimo garantizado superior, y siempre puede ser certificado como cumplir los requisitos de su grado numérico correspondiente. Los grados 2H, 7H, 16H y 26H están destinados principalmente al uso de buques de presión".

"Las calificaciones H se agregaron en respuesta a una solicitud de asociación de usuarios basada en su estudio de más de 5200 informes comerciales de grado 2, 7, 16 y 26 de prueba, donde más del 99% cumplió con el UTS mínimo de 58 ksi".

Grado 1

es la aleación de titanio más dúctil y suave. Es una buena solución para entornos fríos y corrosivos. ASTM/ASME SB-265 proporciona los estándares para la hoja de titanio comercialmente puro y la placa.

Grado 2

Titanio sin dolor, oxígeno estándar.

Grado 2H

Titanio no deseado (grado 2 con 58 ksi mínimo UTS).

Grado 3

Titanio sin dolor, oxígeno medio.

Los grados 1-4 no son calados y considerados comercialmente puros o "CP". Por lo general, la resistencia a la tensión y al rendimiento aumenta con el número de grado para estos grados "puros". La diferencia en sus propiedades físicas se debe principalmente a la cantidad de elementos intersticiales. Se utilizan para aplicaciones de resistencia a la corrosión donde el coste, facilidad de fabricación y soldadura son importantes.

Grado 5 también conocido como Ti6Al4V, Ti-6Al-4V o Ti 6-4

no confundirse con Ti-6Al-4V-ELI (Grado 23), es la aleación más utilizada. Tiene una composición química de 6% de aluminio, 4% vanadium, 0,25% (máximo) hierro, 0,2% (máximo) oxígeno, y el titanio restante. Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) mientras que tiene la misma rigidez y propiedades térmicas (excluyendo la conductividad térmica, que es aproximadamente un 60% más bajo en Grado 5 Ti que en CP Ti). Entre sus muchas ventajas, es tratable de calor. Este grado es una excelente combinación de fuerza, resistencia a la corrosión, soldadura y tejido.

"Esta aleación alfa-beta es la aleación de la industria del titanio. La aleación es totalmente tratable de calor en tamaños de sección hasta 15 mm y se utiliza hasta aproximadamente 400 °C (750 °F). Ya que es la aleación más utilizada – más del 70% de los grados de aleación fundidos son un subgrado de Ti6Al4V, sus usos abarcan muchos usos de componentes aeroespaciales y componentes del motor y también importantes aplicaciones no aeroespaciales en las industrias marina, offshore y de generación de energía en particular."

"Aplicaciones: Blades, discos, anillos, marcos de aire, sujetadores, componentes. Buques, casos, centros, forja. Implantes biomédicos".

Generalmente, Ti-6Al-4V se utiliza en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad aproximada de 4420 kg/m³, El módulo de Young de 120 GPa, y la fuerza de tracción de 1000 MPa. En comparación, el acero inoxidable tipo 316 tiene una densidad de 8000 kg/m³, modulus of 193 GPa, and tensile strength of 570 MPa. Aleación de aluminio templado 6061 tiene una densidad de 2700 kg/m³, modulus of 69 GPa, and tensile strength of 310 MPa, respectively.

Las especificaciones estándar Ti-6Al-4V incluyen:

• AMS: 4911, 4928, 4965, 4967, 6930, 6931, T-9046, T9047
• ASTM: B265, B348, F1472
• MIL: T9046 T9047
• DMS: 1592, 1570, 1583
• Boeing: BMS 7-269

Grado 6

contiene 5% de aluminio y 2,5% de estaño. También se conoce como Ti-5Al-2.5Sn. Esta aleación se utiliza en los motores de aire y jet debido a su buena soldabilidad, estabilidad y fuerza a temperaturas elevadas.

Grado 7

contiene 0,12 a 0,25% de palladio. Este grado es similar al grado 2. La pequeña cantidad de palladio añadido le da mayor resistencia a la corrosión de grieta a bajas temperaturas y alta pH.

Grado 7H

es idéntico al grado 7 (Grado 7 con 58 ksi mínimo UTS).

Grado 9

contiene 3,0% de aluminio y 2,5% de vanadio. Este grado es un compromiso entre la facilidad de soldadura y fabricación de las calificaciones "puras" y la alta resistencia del grado 5. Se utiliza comúnmente en los tubos de avión para la hidráulica y en equipos atléticos.

Grado 11

contiene 0,12 a 0,25% de palladio. Este grado ha mejorado la resistencia a la corrosión.

Grado 12

contiene 0,3% molibdeno y 0,8% níquel. Esta aleación tiene una excelente soldabilidad.

Grados 13, 14, y 15

todos contienen 0,5% de níquel y 0,05% rutenio.

Grado 16

contiene 0,04 a 0,08% palladio. Este grado ha mejorado la resistencia a la corrosión.

Grado 16H

es idéntico al grado 16 (Grado 16 con 58 ksi mínimo UTS).

Grado 17

contiene 0,04 a 0,08% palladio. Este grado ha mejorado la resistencia a la corrosión.

Grado 18

contiene 3% de aluminio, 2,5% de vanadio y 0,04 a 0,08% de palladio. Este grado es idéntico al grado 9 en términos de características mecánicas. El palladio añadido le da mayor resistencia a la corrosión.

Grado 19

contiene 3% de aluminio, 8% vanadio, 6% cromo, 4% zirconio y 4% molibdeno.

Grado 20

contiene 3% de aluminio, 8% vanadio, 6% cromo, 4% zirconio, 4% molibdeno y 0,04% a 0,08% palladio.

Grado 21

contiene 15% de molibdeno, 3% de aluminio, 2,7% de niobio y 0,25% de silicio.

Grado 23 también conocido como Ti-6Al-4V-ELI o TAV-ELI

contiene 6% de aluminio, 4% vanadium, 0.13% (maximum) Oxígeno. ELI representa Extra Low Interstitial. Elementos intersticiales reducidos oxígeno y hierro mejoran la ductilidad y la dureza de fractura con alguna reducción de la fuerza. TAV-ELI es la aleación de titanio de grado médico más utilizada.

Las especificaciones estándar Ti-6Al-4V-ELI incluyen:

• AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
• ASTM: B265, B348, F136
• MIL: T9046 T9047

Grado 24

contiene 6% de aluminio, 4% vanadio y 0,04% a 0,08% de palladio.

Grado 25

contiene 6% aluminio, 4% vanadio y 0,3% a 0,8% níquel y 0,04% a 0,08% palladio.

Grados 26, 26H, y 27

todos contienen 0,08 a 0,14% rutenio.

Grado 28

contiene 3% de aluminio, 2,5% de vanadio y 0,08 a 0,14% de rutenio.

Grado 29

contiene 6% de aluminio, 4% vanadium y 0,08 a 0,14% rutenio.

Grados 30 y 31

contienen 0,3% cobalto y 0,05% palladio.

Grado 32

contiene 5% de aluminio, 1% de estaño, 1% de zirconio, 1% de vanadio y 0,8% de molibdeno.

Grados 33 y 34

contiene 0,4% níquel, 0,015% palladio, 0,025% rutenio y 0,15% cromo. Ambos grados son idénticos pero para menor diferencia en el contenido de oxígeno y nitrógeno. Estos grados contienen entre 6 y 25 veces menos palladio que el grado 7 y por lo tanto son menos costosos, pero ofrecen un rendimiento similar de corrosión gracias al rutenio añadido.

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 45% de niobio.

Grado 37

contiene 1,5% de aluminio.

Grado 38

contiene 4% de aluminio, 2,5% de vanadio y 1,5% de hierro. Este grado se desarrolló en el decenio de 1990 para su uso como una armadura. El hierro reduce la cantidad de Vanadium necesaria como estabilizador beta. Sus propiedades mecánicas son muy similares al grado 5, pero tiene buena capacidad de trabajo en frío similar al grado 9.

Tratamiento térmico

Las aleaciones de titanio se tratan térmicamente por varias razones, las principales son aumentar la resistencia mediante tratamiento con solución y envejecimiento, así como optimizar propiedades especiales, como la tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fluencia a alta temperatura.

Las aleaciones alfa y casi alfa no se pueden cambiar 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 de las aleaciones beta difieren significativamente de los de las aleaciones alfa y alfa-beta. Las aleaciones beta no sólo se pueden aliviar de tensiones o recocer, sino que también se pueden tratar con solución y envejecer. Las aleaciones alfa-beta son aleaciones de dos fases, que comprenden fases alfa y beta a temperatura ambiente. Las composiciones de fases, los tamaños y las distribuciones de fases en aleaciones alfa-beta pueden manipularse dentro de ciertos límites mediante tratamiento térmico, lo que permite adaptar las propiedades.

Aleaciones alfa y casi alfa

La microestructura de las aleaciones de alfa no puede ser fuertemente manipulada por el tratamiento térmico ya que las aleaciones de alfa no experimentan cambios significativos en la fase. Como resultado, no se puede adquirir alta resistencia para las aleaciones de alfa por tratamiento térmico. Sin embargo, las aleaciones de alfa y de titanio casi alfa pueden aliviarse y aniquilarse.

Aleaciones alfa-beta

Trabajando así como tratamiento térmico de aleaciones alfa-beta por debajo o por encima de la temperatura de transición alfa-beta, se pueden lograr grandes cambios microestructurales. Esto puede dar un endurecimiento sustancial del material. El tratamiento de solución más el envejecimiento se utiliza para producir máximas fortalezas en aleaciones alfa-beta. También se practican otros tratamientos térmicos, incluyendo tratamientos térmicos de alivio del estrés, para este grupo de aleaciones de titanio también.

Aleaciones Beta

En aleaciones comerciales de beta, se pueden combinar tratamientos de alivio del estrés y envejecimiento.

Aplicaciones

Estructuras aeroespaciales

El titanio se utiliza habitualmente en la aviación por su resistencia a la corrosión y al calor, y por su alta relación resistencia-peso. Las aleaciones de titanio son generalmente más resistentes que las aleaciones de aluminio, aunque más ligeras que el acero.

Biomédico

Las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente para la fabricación de reemplazos de articulaciones ortopédicas metálicas y cirugías de placas óseas. Normalmente se producen a partir de barras forjadas o fundidas mediante CNC, mecanizado impulsado por CAD o producción de pulvimetalurgia. Cada una de estas técnicas tiene ventajas y desventajas inherentes. Los productos forjados conllevan una gran pérdida de material durante el mecanizado hasta darle la forma final del producto y, en el caso de las muestras fundidas, la adquisición de un producto en su forma final limita en cierta medida el procesamiento y tratamiento posteriores (por ejemplo, el endurecimiento por precipitación), aunque la fundición es más eficaz en cuanto al material. Los métodos tradicionales de pulvimetalurgia también son más eficientes en cuanto a materiales, aunque adquirir productos completamente densos puede ser un problema común.

Con la aparición de la fabricación sólida de forma libre (impresión 3D), se ha hecho realidad la posibilidad de producir implantes biomédicos diseñados a medida (por ejemplo, articulaciones de cadera). Si bien actualmente no se aplica a mayor escala, los métodos de fabricación de forma libre ofrecen la capacidad de reciclar el polvo residual (del proceso de fabricación) y permiten adaptar la selectividad a las propiedades deseables y, por tanto, al 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 aleaciones de Ti de forma libre. Los parámetros de fabricación influyen en gran medida en la microestructura del producto, donde p.e. una velocidad de enfriamiento rápida en combinación con un bajo grado de fusión en SLM conduce a la formación predominante de fase alfa-prima martensítica, dando un producto muy duro.

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI

Esta aleación tiene buena biocompatibilidad, y no es citotóxico ni genotóxico. Ti-6Al-4V sufre de mala resistencia a la cizaña y malas propiedades de desgaste superficial en ciertas condiciones de carga:

Compatibilidad con la biotecnología: Excelente, especialmente cuando se requiere contacto directo con tejido o hueso. La pobre fuerza de ti-6Al-4V lo hace indeseable para tornillos ó placas de hueso. También tiene malas propiedades de desgaste superficial y tiende a aprovecharse cuando está en contacto deslizante con sí mismo y otros metales. Tratamientos superficiales como nitrificación y oxidación pueden mejorar las propiedades de desgaste superficial.

Ti-6Al-7Nb

Esta aleación fue desarrollada como un reemplazo biomédico para Ti-6Al-4V, ya que Ti-6Al-4V contiene vanadio, un elemento que ha demostrado resultados citotóxicos cuando está aislado. Ti-6Al-7Nb contiene 6% de aluminio y 7% de niobio.

Ti6Al7Nb es una aleación de titanio de alta resistencia dedicada con excelente biocompatibilidad para implantes quirúrgicos. Se utiliza para el reemplazo de las articulaciones de cadera, ha estado en uso clínico desde principios de 1986.