Hidruro de titanio
El término hidruro de titanio se refiere normalmente al compuesto inorgánico TiH2 y a materiales no estequiométricos relacionados. Se encuentra disponible comercialmente como un polvo gris/negro estable, que se utiliza como aditivo en la producción de imanes sinterizados de Alnico, en la sinterización de metales en polvo, en la producción de espuma metálica, en la producción de titanio metálico en polvo y en pirotecnia.
También conocida como aleación de titanio-hidrógeno, es una aleación de titanio, hidrógeno y posiblemente otros elementos. Cuando el hidrógeno es el principal elemento de aleación, su contenido en el hidruro de titanio oscila entre el 0,02 % y el 4,0 % en peso. Entre los elementos de aleación añadidos intencionalmente para modificar las características del hidruro de titanio se encuentran el galio, el hierro, el vanadio y el aluminio.
Producción
En el proceso comercial para producir TiH2−x no estequiométrico, la esponja metálica de titanio se trata con gas hidrógeno a presión atmosférica entre 300 y 500 °C. La absorción de hidrógeno es exotérmica y rápida, y cambia el color de la esponja a gris/negro. El producto quebradizo se muele hasta formar un polvo, que tiene una composición de alrededor de TiH1,95. En el laboratorio, el hidruro de titanio se produce calentando el polvo de titanio bajo un flujo de hidrógeno a 700 °C, siendo la ecuación idealizada:
- Ti + H2 → TiH2
Otros métodos para producir hidruro de titanio incluyen métodos electroquímicos y de molienda de bolas.
Reacciones
El TiH1.95 no se ve afectado por el agua ni el aire. Es atacado lentamente por ácidos fuertes y se degrada por ácidos fluorhídrico y sulfúrico caliente. Reacciona rápidamente con agentes oxidantes, esta reactividad conduce al uso de hidruro de titanio en pirotecnia.
El material se ha utilizado para producir hidrógeno de alta pureza, que se libera al calentar el sólido. La liberación de hidrógeno en TiH~2 comienza justo por encima de los 400 °C, pero puede no completarse hasta el punto de fusión del metal titanio. Se ha propuesto el trituro de titanio (Ti3Hx) para el almacenamiento a largo plazo del gas tritio.
Estructura
A medida que TiHx se acerca a la estequiometría, adopta una estructura tetragonal centrada en el cuerpo distorsionada, denominada forma ε, con una relación axial de menos de 1. Esta composición es muy inestable con respecto a la descomposición térmica parcial, a menos que se mantenga bajo una atmósfera de hidrógeno puro. De lo contrario, la composición se descompone rápidamente a temperatura ambiente hasta que se alcanza una composición aproximada de TiH1,74. Esta composición adopta la estructura de fluorita y se denomina forma δ, y se descompone térmicamente muy lentamente a temperatura ambiente hasta alcanzar una composición aproximada de TiH1,47, momento en el que comienzan a aparecer inclusiones de la forma α compacta y hexagonal, que es la misma forma que el titanio puro.
Se ha estudiado en detalle la evolución del dihidruro a partir del metal titanio y del hidrógeno. El α-titanio tiene una estructura compacta hexagonal (hcp) a temperatura ambiente. El hidrógeno ocupa inicialmente sitios intersticiales tetraédricos en el titanio. A medida que la relación H/Ti se acerca a 2, el material adopta la forma β a una forma cúbica centrada en las caras (fcc), δ, y los átomos de H acaban llenando todos los sitios tetraédricos para dar la estequiometría límite de TiH2. Las distintas fases se describen en la siguiente tabla.
| Fase | Peso % H | Porcentaje H | TiHx | Traje de metal |
|---|---|---|---|---|
| α | 0 – 0,2 | 0 – 8 | TiH0 – TiH0.1 | hcp |
| α β | 0.2 – 1.1 | 8 a 34 | TiH0.1 – TiH0.5 | |
| β | 1.1 – 1.8 | 34 – 47 | TiH0.5 – TiH0.9 | bcc |
| β & δ | 1.8 – 2,5 | 47 – 57 | TiH0.9 – TiH1.32 | |
| δ | 2.7 – 4.1 | 57 – 67 | TiH1.32 – TiH2 | fcc |
Si el hidruro de titanio contiene un 4,0 % de hidrógeno a una temperatura inferior a 40 °C, se transforma en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (bct) denominada ε-titanio.
Cuando se enfrían los hidruros de titanio con menos de 1,3 % de hidrógeno, conocidos como hidruro de titanio hipoeutectoide, la fase de β-titanio de la mezcla intenta volver a la fase de α-titanio, lo que da como resultado un exceso de hidrógeno. Una forma de que el hidrógeno abandone la fase de β-titanio es que el titanio se transforme parcialmente en δ-titanio, dejando atrás titanio con un contenido de hidrógeno lo suficientemente bajo como para adoptar la forma de α-titanio, lo que da como resultado una matriz de α-titanio con inclusiones de δ-titanio.
Se ha informado de una fase metaestable de hidruro de γ-titanio. Cuando el hidruro de α-titanio con un contenido de hidrógeno de 0,02-0,06 % se enfría rápidamente, se transforma en hidruro de γ-titanio, ya que los átomos se "congelan" en su lugar cuando la estructura celular cambia de hcp a fcc. El γ-titanio adopta una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (bct). Además, no hay cambio de composición, por lo que los átomos generalmente conservan sus mismos vecinos.
Embrittlement de hidrógeno en aleaciones de titanio y titanio
La absorción de hidrógeno y la formación de hidruro de titanio son una fuente de daño al titanio y a las aleaciones de titanio. Este proceso de fragilización por hidrógeno es de particular preocupación cuando el titanio y las aleaciones se utilizan como materiales estructurales, como en los reactores nucleares.
La fragilización por hidrógeno se manifiesta como una reducción de la ductilidad y, eventualmente, el descascarillado de las superficies de titanio. El efecto del hidrógeno está determinado en gran medida por la composición, el historial metalúrgico y el manejo del titanio y sus aleaciones. El titanio CP (comercialmente puro: ≤99,55 % de contenido de Ti) es más susceptible al ataque por hidrógeno que el titanio α puro. La fragilización, observada como una reducción de la ductilidad y causada por la formación de una solución sólida de hidrógeno, puede ocurrir en el titanio CP en concentraciones tan bajas como 30-40 ppm. La formación de hidruros se ha relacionado con la presencia de hierro en la superficie de una aleación de Ti. Se observan partículas de hidruro en muestras de Ti y aleaciones de Ti que han sido soldadas y, debido a esto, la soldadura a menudo se realiza bajo una protección de gas inerte para reducir la posibilidad de formación de hidruros.
El Ti y las aleaciones de Ti forman una capa de óxido superficial, compuesta por una mezcla de óxidos de Ti(II), Ti(III) y Ti(IV), que ofrece un grado de protección al hidrógeno que entra en el material. El espesor de esta capa se puede aumentar mediante anodización, un proceso que también da como resultado una coloración distintiva del material. El Ti y las aleaciones de Ti se utilizan a menudo en entornos que contienen hidrógeno y en condiciones en las que el hidrógeno se reduce electrolíticamente en la superficie. El decapado, un tratamiento con baño ácido que se utiliza para limpiar la superficie, puede ser una fuente de hidrógeno.
Usos
Entre las aplicaciones más habituales se encuentran la cerámica, la pirotecnia, los equipos deportivos, como reactivo de laboratorio, como agente espumante y como precursor del titanio poroso. Cuando se calienta como mezcla con otros metales en la pulvimetalurgia, el hidruro de titanio libera hidrógeno que sirve para eliminar el carbono y el oxígeno, produciendo una aleación resistente.
La densidad del hidruro de titanio varía según los componentes de la aleación, pero en el caso del hidruro de titanio puro oscila entre 3,76 y 4,51 g/cm3.
Incluso en el estrecho rango de concentraciones que componen el hidruro de titanio, las mezclas de hidrógeno y titanio pueden formar una serie de estructuras diferentes, con propiedades muy diferentes. Comprender dichas propiedades es esencial para fabricar hidruro de titanio de calidad. A temperatura ambiente, la forma más estable del titanio es la estructura hexagonal compacta (HCP) α-titanio. Es un metal bastante duro que puede disolver solo una pequeña concentración de hidrógeno, no más del 0,20 % en peso a 464 °C (867 °F), y solo el 0,02 % a 25 °C (77 °F). Si el hidruro de titanio contiene más del 0,20 % de hidrógeno a las temperaturas de fabricación del hidruro de titanio, se transforma en una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) llamada β-titanio. Puede disolver considerablemente más hidrógeno, más del 2,1 % de hidrógeno a 636 °C (1177 °F). Si el hidruro de titanio contiene más de un 2,1 % a 636 °C (1177 °F), se transforma en una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) llamada δ-titanio. Puede disolver incluso más hidrógeno, hasta un 4,0 % de hidrógeno a 37 °C (99 °F), lo que refleja el contenido superior de hidrógeno del hidruro de titanio.
Existen muchos tipos de procesos de tratamiento térmico disponibles para el hidruro de titanio. Los más comunes son el recocido y el temple. El recocido es el proceso de calentar el hidruro de titanio a una temperatura suficientemente alta para ablandarlo. Este proceso se produce en tres fases: recuperación, recristalización y crecimiento del grano. La temperatura necesaria para recocer el hidruro de titanio depende del tipo de recocido. El recocido debe realizarse en una atmósfera de hidrógeno para evitar la desgasificación.
Véase también
- Machinability
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Enlaces externos
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