En 1948, la empresa estadounidense DuPont inició la producción en masa de titanio esponjoso mediante el proceso del magnesio, lo que marcó el comienzo de la producción industrializada de titanio.
Las aleaciones de titanio, con su alta resistencia específica, excelente resistencia a la corrosión y resistencia superior al calor, ahora se utilizan ampliamente en diversas industrias.
Las aleaciones de titanio se utilizan en la industria de la aviación desde hace más de medio siglo; En el sector de la electrónica de consumo, marcas como Huawei, Apple, Xiaomi y Honor han incorporado este material en muchos de sus modelos de teléfonos inteligentes, y se espera que un número cada vez mayor de fabricantes de electrónica adopten aleaciones de titanio. Pero, ¿qué hace que las aleaciones de titanio sean tan universalmente preferidas?
Características del titanio
1. Alta resistencia específica:
1,3 veces mayor que las aleaciones de aluminio, 1,6 veces mayor que las aleaciones de magnesio y 3,5 veces mayor que el acero inoxidable, lo que lo convierte en el campeón entre los materiales metálicos.
2. Alta resistencia térmica:
Puede funcionar a largo plazo a temperaturas cientos de grados más altas que las aleaciones de aluminio, específicamente entre 450 y 500 °C.
3. Excelente resistencia a la corrosión:
Resiste bien los ácidos, los álcalis y la corrosión atmosférica, y tiene una resistencia particularmente fuerte a las picaduras y al agrietamiento por corrosión bajo tensión.
4. Buen rendimiento a bajas temperaturas:
Ciertas aleaciones de titanio, como la TA7 intersticialmente baja, conservan cierta plasticidad incluso a -253°C.
5. Alta reactividad química:
A altas temperaturas, el titanio es muy reactivo y se combina fácilmente con gases como el hidrógeno y el oxígeno del aire, creando una capa endurecida.
6. Baja conductividad térmica y módulo de elasticidad:
Su conductividad térmica es aproximadamente un cuarto de la del níquel, un quinto de la del hierro y un catorceavo de la del aluminio. La conductividad térmica de varias aleaciones de titanio es aproximadamente un 50% menor que la del titanio puro. El módulo de elasticidad de las aleaciones de titanio es aproximadamente la mitad del módulo de elasticidad del acero.
Clasificaciones y aplicaciones de aleaciones de titanio.
Las aleaciones de titanio se pueden clasificar en: aleaciones resistentes al calor, aleaciones de alta resistencia, aleaciones resistentes a la corrosión (como titanio-molibdeno, titanio-paladio), aleaciones de baja temperatura y aleaciones para fines especiales (como titanio-hierro-hidrógeno). almacenamiento de materiales, aleaciones con memoria de forma de titanio-níquel).
A pesar de la historia relativamente corta de su aplicación, sus excelentes propiedades le han valido al titanio y a sus aleaciones varios títulos prestigiosos, el primero de los cuales es "el metal del espacio".
Su peso ligero, su alta resistencia específica y su resistencia a altas temperaturas lo hacen particularmente adecuado para la fabricación de aviones y diversas naves espaciales.
Aproximadamente las tres cuartas partes de la producción mundial de titanio y sus aleaciones se utilizan en la industria aeroespacial, y muchos componentes originalmente fabricados con aleaciones de aluminio ahora están siendo reemplazados por aleaciones de titanio.
Aplicaciones aeroespaciales de las aleaciones de titanio
Las aleaciones de titanio se utilizan principalmente en la fabricación de componentes de motores y aeronaves, como aspas de ventiladores de titanio forjado, discos y aspas de compresores, cubiertas de motores, sistemas de escape y estructuras estructurales como mamparos de largueros de aeronaves.
Las naves espaciales aprovechan la alta resistencia específica, la resistencia a la corrosión y el rendimiento a baja temperatura de las aleaciones de titanio para fabricar diversos recipientes a presión, tanques de combustible, sujetadores, correas de instrumentos, estructuras y carcasas de cohetes.
Los satélites artificiales, los módulos lunares, las naves espaciales tripuladas y los transbordadores espaciales también utilizan componentes soldados hechos de láminas de aleación de titanio.
En 1950, Estados Unidos utilizó por primera vez aleaciones de titanio en el cazabombardero F-84 para componentes no estructurales como escudos térmicos para el fuselaje trasero, deflectores de viento y cubiertas traseras.
A partir de la década de 1960, las aplicaciones de aleaciones de titanio se trasladaron de la parte trasera a la parte media del fuselaje, reemplazando parcialmente el acero estructural en la fabricación de marcos, vigas y rieles de aletas como componentes críticos de soporte de carga.
A partir de la década de 1970, los aviones civiles comenzaron a utilizar ampliamente las aleaciones de titanio: el avión Boeing 747 incorporaba más de 3.640 kg de titanio, lo que representa el 28% del peso del avión.
Con el avance de las técnicas de procesamiento, también se ha utilizado una cantidad considerable de aleación de titanio en cohetes, satélites y transbordadores espaciales. Cuanto más avanzado es el avión, mayor es el uso de titanio.
El avión de combate estadounidense F-14A utiliza aleaciones de titanio que constituyen aproximadamente el 25% de su peso; el F-15A tiene el 25,8%; Los cazas de cuarta generación utilizan hasta un 41% de titanio, y el motor F119 por sí solo representa el 39% del uso de titanio, el más alto de cualquier avión hasta la fecha.
Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en la aviación por una buena razón.
¿Por qué los aviones de transporte aéreo deberían utilizar aleaciones de titanio? Los aviones modernos pueden alcanzar velocidades de hasta 2,7 veces la velocidad del sonido. A velocidades supersónicas tan altas, la fricción del aire genera una cantidad significativa de calor.
Cuando la velocidad de vuelo excede el doble de la velocidad del sonido, las aleaciones de aluminio ya no pueden soportar las condiciones, lo que requiere el uso de aleaciones de titanio resistentes a altas temperaturas.
A medida que la relación empuje-peso de los motores de aviación aumentó de 4-6 a 8-10, y la temperatura de salida del compresor aumentó de 200-300°C a 500-600°C, los discos y palas del compresor de baja presión, anteriormente fabricados de aluminio, tuvieron que ser sustituidos por aleaciones de titanio.
Los avances recientes en el estudio de las propiedades de las aleaciones de titanio han dado lugar a avances significativos.
Las aleaciones de titanio tradicionales compuestas de titanio, aluminio y vanadio, que tenían una temperatura máxima de trabajo de 550 °C a 600 °C, han sido reemplazadas por aleaciones de aluminuro de titanio (TiAl) recientemente desarrolladas, con temperaturas máximas de trabajo que alcanzan hasta 1040 °C.
Reemplazar el acero inoxidable con aleaciones de titanio para fabricar discos y palas de compresores de alta presión puede reducir el peso estructural. Una reducción del 10% en el peso de los aviones puede suponer un ahorro de combustible del 4%. En el caso de los cohetes, una reducción de peso de 1 kg puede aumentar el alcance en 15 km.
Las aplicaciones 3C de las aleaciones de titanio.
En la altamente competitiva industria de la electrónica de consumo representada por los teléfonos móviles, los principales fabricantes están interesados en utilizar aleaciones de titanio para aumentar la apreciación del producto.
Marcas como Huawei, Apple, Xiaomi y Honor ya han incorporado este material en varios productos. Apple ha equipado sus relojes de la serie Ultra con cajas de titanio como estándar, y su último iPhone 15 incluye un modelo Pro con un cuerpo de titanio completamente nuevo, lo que marca el primer teléfono de Apple que adopta titanio de calidad aeronáutica.
En 2022, Huawei utilizó aleación de titanio en los componentes estructurales de su teléfono con pantalla plegable, el MateXs2, e incorporó un marco de titanio en el Watch4Pro.
El 12 de octubre, Honor lanzó su nuevo teléfono inteligente plegable, el Honor MagicVs2, que presenta materiales innovadores como la bisagra de titanio Luban. En la nueva línea de Xiaomi, el modelo más caro es la versión 14 Pro de titanio.
Se informa que Samsung utilizará un marco de aleación de titanio para su próximo Galaxy S24 Ultra, similar al esquema de color titanio original del iPhone 15 Pro.
En general, la combinación de alta resistencia específica y propiedades livianas es una de las principales razones por las que se promueven ampliamente las aleaciones de titanio, lo que permite que los productos electrónicos de consumo sean más portátiles y ofrezcan una experiencia de usuario más cómoda.
Análisis de las características de mecanizado de la aleación de titanio.
En primer lugar, las aleaciones de titanio tienen una baja conductividad térmica, apenas una cuarta parte de la del acero, una decimotercera parte de la del aluminio y una veinticinco de la del cobre. La lenta disipación del calor en la zona de corte no conduce al equilibrio térmico.
Durante el proceso de mecanizado, los efectos deficientes de disipación de calor y enfriamiento pueden provocar altas temperaturas, deformaciones significativas y recuperación elástica en las piezas mecanizadas, lo que resulta en un mayor torque de la herramienta de corte y un rápido desgaste de la herramienta, lo que reduce la durabilidad de la herramienta.
En segundo lugar, la baja conductividad térmica de las aleaciones de titanio hace que el calor de corte se acumule en una pequeña zona cerca de la herramienta de corte, que es difícil de disipar. Esto aumenta la fricción en la cara del rastrillo, dificultando la evacuación de la viruta y acelerando el desgaste de la herramienta.
Finalmente, la alta reactividad química de las aleaciones de titanio significa que tienden a reaccionar con los materiales de las herramientas a altas temperaturas durante el mecanizado, lo que provoca soldadura y difusión, lo que puede provocar adherencias, quemaduras e incluso roturas de las herramientas.
Centros de mecanizado en procesamiento de aleaciones de titanio.
Los centros de mecanizado pueden procesar varias piezas simultáneamente, lo que aumenta la eficiencia de la producción. Mejoran la precisión del mecanizado, asegurando una buena consistencia en los productos.
Estos centros cuentan con capacidades de compensación de herramientas que pueden lograr la precisión inherente de la propia máquina. Con una amplia adaptabilidad y una flexibilidad considerable, los centros de mecanizado son capaces de realizar operaciones multifuncionales.
Son posibles tareas como el mecanizado por arco, el achaflanado y el redondeo de transiciones en piezas. Permiten operaciones de fresado, taladrado, escariado y roscado.
También se facilitan los cálculos precisos de costos y el control del programa de producción. Eliminar la necesidad de accesorios especializados ahorra costos sustanciales y acorta el ciclo de producción, al tiempo que reduce significativamente la intensidad laboral de los trabajadores. También es posible el mecanizado multieje con software como UG.
Selección de herramientas y material refrigerante.
- Requisitos de material de herramienta
El material de la herramienta debe tener una dureza significativamente mayor que las aleaciones de titanio.
Debe poseer suficiente resistencia y tenacidad para soportar los grandes pares y fuerzas de corte que se experimentan al mecanizar aleaciones de titanio.
La alta resistencia al desgaste es fundamental porque las aleaciones de titanio son resistentes y requieren bordes cortantes afilados para minimizar el endurecimiento por trabajo. Este es el parámetro más importante a la hora de seleccionar herramientas para mecanizar aleaciones de titanio.
El material de la herramienta debe tener poca afinidad con las aleaciones de titanio para evitar la formación de aleaciones por disolución y difusión, lo que puede provocar que la herramienta se pegue y se queme. Las pruebas realizadas con materiales de herramientas nacionales y extranjeros muestran que las herramientas con un alto contenido de cobalto presentan un rendimiento óptimo.
El cobalto mejora el endurecimiento secundario, mejora la dureza al rojo y la dureza después del tratamiento térmico, al tiempo que proporciona alta tenacidad, resistencia al desgaste y buena disipación del calor.
- Parámetros geométricos de la fresa.
Las características de mecanizado únicas de las aleaciones de titanio significan que los parámetros geométricos de las herramientas difieren significativamente de los de las herramientas estándar. Se elige un ángulo de hélice β más pequeño para facilitar la eliminación de virutas y disipar el calor más rápido, lo que también reduce la resistencia al corte durante el mecanizado.
El ángulo de ataque positivo γ garantiza un filo afilado para un corte ligero y rápido, evitando el calor de corte excesivo y el posterior endurecimiento por trabajo. Un ángulo libre α más pequeño ralentiza el desgaste de la herramienta y mejora la disipación de calor y la durabilidad de la herramienta.
- Selección de parámetros de corte.
El mecanizado de aleaciones de titanio requiere velocidades de corte más bajas, velocidades de avance apropiadamente grandes, profundidades de corte y tolerancias de acabado razonables, con amplio enfriamiento. La velocidad de corte vc=30–50 m/min es ideal, con velocidades de avance más altas para el mecanizado en desbaste y velocidades de avance moderadas para acabado y semiacabado.
La profundidad de corte ap=1/3d es adecuada; Las profundidades grandes pueden provocar que la herramienta se pegue, queme o rompa debido a la buena afinidad y la difícil eliminación de virutas de las aleaciones de titanio.
Se requiere un margen de acabado adecuado, ya que la capa de endurecimiento superficial en las aleaciones de titanio es de aproximadamente 0,1 a 0,15 mm; Una tolerancia demasiado pequeña puede provocar desgaste de la herramienta debido al corte de la capa endurecida, pero la tolerancia no debe ser excesivamente grande para evitar este problema.
- Refrigerador
Es mejor evitar los refrigerantes que contienen cloro al mecanizar aleaciones de titanio para evitar sustancias tóxicas y la fragilización por hidrógeno, así como para proteger contra el agrietamiento por corrosión bajo tensión a alta temperatura.
Se prefieren las emulsiones sintéticas solubles en agua o se puede utilizar una mezcla de refrescos personalizada. Durante las operaciones de corte, asegúrese de que el refrigerante sea suficiente, con circulación rápida y alto caudal y presión.
Los centros de mecanizado vienen equipados con boquillas de enfriamiento dedicadas que, cuando se ajustan adecuadamente, pueden lograr el efecto deseado.
