El titanio es un metal cuya demanda va en aumento. Esto se debe a que tiene una excelente resistencia a la corrosión y una amplia gama de propiedades mecánicas deseables. Para aprovechar las propiedades únicas del titanio, los fabricantes añaden cantidades más pequeñas de otros elementos al titanio puro para alterar las propiedades físicas del metal.
Por lo tanto, existen muchos tipos de aleaciones de titanio para elegir, ya que ofrecen diferentes propiedades y costos. En este artículo, analizamos las diferentes clasificaciones de aleaciones de titanio y las aplicaciones de cada una de estas clasificaciones.
Clasificación de aleaciones de titanio por estructura.
La microestructura es un método para clasificar las aleaciones de titanio. La estructura de estos tipos de aleaciones de titanio depende de la composición de la aleación y del proceso de fabricación.
ligas alfa
Las aleaciones alfa son aleaciones de titanio que sólo se unen selectivamente al oxígeno. Otros componentes, como el carbono y el hierro, están contenidos en pequeñas cantidades pero sólo se presentan como impurezas. Como elemento de aleación intersticial, el oxígeno aumenta significativamente la resistencia y reduce la ductilidad. Las aleaciones alfa se utilizan principalmente en las industrias de ingeniería química y mecánica.
En este caso, el buen comportamiento frente a la corrosión y la deformabilidad son más importantes que una alta resistencia (específica). La principal diferencia entre los grados de titanio comercialmente puro (cp) es la concentración de oxígeno.
Cerca de ligas alfa
Las aleaciones de titanio casi alfa son las aleaciones de alta temperatura más comunes. Esta clase de aleaciones es adecuada para altas temperaturas porque combina el comportamiento de fluencia superior de las aleaciones alfa con la alta resistencia de las aleaciones alfa y beta. Sin embargo, su temperatura máxima de trabajo ahora está limitada a 500 a 550 ºC.
Ligas beta y casi beta
Las aleaciones beta son otro tipo de material de titanio. Los fabricantes fabrican todas las aleaciones de titanio agregando suficientes elementos estabilizadores beta al titanio. Estos materiales han estado disponibles durante muchos años, pero sólo recientemente han ganado popularidad. Son más fáciles de trabajar en frío que las aleaciones alfa-beta, pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias y algunas tienen mejor resistencia a la corrosión que los grados comercialmente puros.
Ligas Alfa y Beta
Normalmente se trata de materiales de resistencia media a alta, con una resistencia a la tracción de 620 a 1250 MPa y una resistencia a la fluencia de 350 a 400 °C. Además de las propiedades de resistencia a la tracción, también exhiben propiedades de resistencia a la fatiga por ciclos altos y bajos y tenacidad a la fractura.
Por lo tanto, se han desarrollado procesos termomecánicos y procesos de tratamiento térmico para garantizar que las aleaciones tengan un equilibrio ideal de propiedades mecánicas para diversas aplicaciones.
Clasificación de aleaciones de titanio por resistencia.
Al diseñar una pieza o un producto, es importante comprender las propiedades de resistencia del material para el diseño y la selección del producto. Existen diferentes tipos de aleaciones de titanio. Por eso, es importante conocer todas estas propiedades para utilizarlas de forma eficaz.
Baja resistencia
Se trata de aleaciones de titanio con un límite elástico inferior a 73 KSI (500 MPa). Son adecuados para aplicaciones que requieren materiales de resistencia media. Los ejemplos incluyen ASTM Clases 1, 2, 3, 7 y 11.
Fuerza moderada
Son aleaciones de titanio con límites elásticos entre 73 y 131 KSI (500 y 900 MPa). Tienen grados ASTM 4, 5 y 9, Ti-2,5% Cu, Ti-8% Al-1% Mo-0,1% V.
Fuerza media
Son aleaciones de titanio con límites elásticos entre 131 y 145 KSI (900-1000 MPa). Son adecuados para aplicaciones críticas que requieren propiedades de alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y resistencia al impacto con muescas a temperaturas elevadas. Algunos ejemplos son Ti-6%Al-2%Sn-4%Zr-2%Mo y Ti-5,5%Al-3,5%Sn-3%Zr-1%Nb-0,3%Mo-0,3%Si.
Alta resistencia
Las aleaciones de titanio de alta resistencia tienen resistencias a la tracción entre 145 y 174 KSI (1000-1200 MPa). Son resistentes a la fatiga, la fluencia y la corrosión, lo que los hace adecuados para aplicaciones exigentes como piezas de aviones e implantes médicos.
Resistencia muy alta
Las aleaciones de muy alta resistencia tienen una resistencia a la tracción superior a 174 KSI (1200 MPa). Esta clase de materiales es costosa pero ofrece un rendimiento excepcional en aplicaciones exigentes como motores a reacción, motores de cohetes, naves espaciales y reactores nucleares. Algunos ejemplos son Ti-10%V-2%Fe-3%Al y Ti-4%Al-4%Mo-4%Sn-0,5%Si.
Aleaciones de titanio con propiedades y aplicaciones.
Las aleaciones de titanio están disponibles en varios grados, cada uno con sus propiedades específicas. A continuación se muestran algunos de los grados de aleaciones de titanio más comunes .
Aleación de titanio de grado 5.
Debido a su alta resistencia, el titanio de grado 5 es la aleación más utilizada. Es una aleación de soldadura de uso común que se puede utilizar en componentes estructurales y que soportan presión. Presenta alta resistencia a la corrosión en ambientes oxidantes y reductores.
Además, también se utiliza en las industrias química y petrolera, así como en la fabricación de plataformas de perforación marinas. La aleación se utiliza en la construcción de plantas de tratamiento de agua, reactores nucleares y otros entornos críticos que requieren un material de alta resistencia y bajo costo.
Aleación de titanio grado 6
El grado 6 es una aleación de titanio comúnmente soldada hecha de aluminio y estaño, que se utiliza a menudo para componentes expuestos a altas temperaturas. Además de una alta resistencia, la aleación tiene una excelente estabilidad, lo que la convierte en una buena opción para aviones y motores.
Aleación de titanio de grado 7.
Las aleaciones de titanio de grado 7 son particularmente adecuadas para aplicaciones de baja temperatura y alto pH. Esto se debe a su extrema resistencia a la corrosión.
Aleación de titanio grado 11
El grado 11 es una aleación de titanio con buena resistencia a altas temperaturas y alta resistencia a la corrosión. La aleación es una materia prima para componentes que se utilizan a altas temperaturas, como por ejemplo en plantas de procesamiento de productos químicos y petróleo, así como en la producción de motores y fuselajes de aviones. El grado 11 también se utiliza para fabricar turbinas, tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido y otros equipos importantes. La aleación se fabrica fácilmente mediante mecanizado, forja, laminación y extrusión.
Aleación de titanio grado 12
Se aplica a la fabricación de componentes de aeronaves, como piezas de motores, fuselajes, trenes de aterrizaje, sistemas de combustible y otros equipos críticos. La aleación también se utiliza en la fabricación de contenedores criogénicos, intercambiadores de calor, columnas de destilación y otros equipos que funcionan a altas temperaturas.
Además, el Grado 12 se fabrica fácilmente mediante mecanizado, forjado, laminado y extrusión. Esto lo hace ideal para fabricar válvulas, accesorios y otros dispositivos que requieren materiales resistentes a la corrosión.
Aleación de titanio grado 23
El grado 23 es una aleación de titanio con buena ductilidad y resistencia a la fractura. Se utiliza principalmente para fabricar implantes médicos.
¿Por qué es difícil mecanizar aleaciones de titanio?
Las aleaciones de titanio son difíciles de mecanizar porque son duras y tienen un bajo coeficiente de fricción. La dureza del titanio proviene de su alta resistencia y densidad, lo que dificulta su corte y forma. La alta resistencia también significa que el material es menos maleable y susceptible al agrietamiento que puede ocurrir durante el mecanizado, el tratamiento térmico o la soldadura.
El bajo coeficiente de fricción puede causar problemas al cortar o fresar titanio con materiales de herramientas tradicionales. Las virutas de titanio dificultan que la herramienta elimine fácilmente el material de la pieza de trabajo. Las virutas también tienden a adherirse a la superficie de los dientes de la herramienta porque no hay lubricación entre ellas y la herramienta. Esto da como resultado la acumulación de viruta en la superficie de la herramienta a altas velocidades de avance, lo que resulta en acabados superficiales deficientes, vida útil reducida de la herramienta y vibración excesiva durante el mecanizado.
Otra dificultad en el mecanizado de aleaciones de titanio es su baja conductividad térmica, lo que significa que no se enfrían lo suficientemente rápido cuando se mecanizan con fluidos de corte o refrigeración por agua. Esto hace que el material de la pieza de trabajo se ablande y la vida útil de la herramienta se reduzca debido a la vibración o rotura de la herramienta.
Consejos para un mecanizado eficaz de aleaciones de titanio
Debido a las propiedades especiales de las aleaciones de titanio, mecanizar estos metales puede resultar algo complicado. Para editar estos componentes de forma eficaz, necesita saber qué herramientas y técnicas utilizar. Hemos reunido una lista de consejos útiles sobre cómo mecanizar aleaciones de titanio de forma eficaz.
Utilice las herramientas y equipos adecuados
En primer lugar, debe asegurarse de utilizar las herramientas y el equipo adecuados para el trabajo. Esto puede parecer bastante obvio, pero es un paso crucial en cualquier proceso de edición. Las aleaciones de titanio son más difíciles de mecanizar debido a su mayor dureza. Utilice siempre herramientas de acero de alta velocidad y brocas de carburo al cortar titanio. Las herramientas de acero se desafilan rápidamente con este material, mientras que las brocas de carburo cortan limpiamente y duran más.
Transfiere el calor generado al chip.
Un aspecto importante del mecanizado eficiente de titanio es la transferencia del calor generado al chip. Esto ayuda a mantener la pieza, la herramienta y el refrigerante a una temperatura relativamente constante. La forma más eficaz de hacerlo es utilizar una máquina con husillo horizontal para mecanizar titanio.
Otra forma de dirigir el calor generado al chip es aumentar la velocidad de avance de la pieza. Una velocidad de avance más alta puede ayudar a mantener una temperatura constante durante el proceso de mecanizado. Esto puede resultar especialmente útil al mecanizar piezas de gran tamaño.
Aumentar la concentración y la presión del refrigerante.
Como ya se mencionó, las aleaciones de titanio tienen una conductividad térmica mayor que otros metales. Por lo tanto, al procesar estos materiales, se debe aumentar la concentración y presión del refrigerante. Aumentar la concentración de refrigerante puede ayudar a reducir el calor generado en el motor. También puede ayudar a mantener la pieza y la herramienta a una temperatura relativamente constante, permitiendo que aumente la velocidad de avance de la pieza.
Si usa un refrigerante a base de agua, puede aumentar la concentración de ese fluido agregando un agente antiespumante. Una buena opción como agente antiespumante son las sales de sodio, que ayudan a aumentar el punto de ebullición y la viscosidad del agua.
Evite apoderarse
Las aleaciones de titanio suelen tener una lubricidad menor que otros metales. Esto significa que es más probable que lo coman mientras lo procesan. La convulsión es un fenómeno que ocurre cuando dos partes metálicas opuestas entran en contacto y una parte queda atrapada entre las dos. El agarrotamiento puede dificultar significativamente el proceso de mecanizado y reducir significativamente la vida útil de la herramienta.
Puede evitar el desgaste al mecanizar aleaciones de titanio utilizando una velocidad de avance más baja y una velocidad del husillo más baja. Si ya nota atascamientos, a menudo puede corregir el problema aumentando la concentración de refrigerante. Esto puede ayudar a superar la irritación existente y continuar con el proceso de edición.
Aplicaciones de aleación de titanio
industria aeroespacial
Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial debido a su alta relación resistencia-peso. Se utilizan para fabricar sujetadores, estructuras de aviones, conjuntos de trenes de aterrizaje y motores porque pueden soportar temperaturas extremas sin corroerse ni agrietarse bajo presión.
Industria médica
Las aleaciones de titanio se utilizan en dispositivos médicos como articulaciones artificiales y reemplazos de cadera porque son biocompatibles y resistentes a la corrosión. El metal puede adoptar formas complejas sin romperse ni agrietarse, lo que lo hace ideal para instrumentos quirúrgicos como bisturíes o alicates. También se utiliza en implantes dentales porque no irrita los tejidos blandos como el acero inoxidable cuando se inserta en la cavidad bucal.
Industria electrónica
Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en electrónica porque tienen alta conductividad y son resistentes a la corrosión de la mayoría de los ácidos y bases. Esto los hace ideales como elementos de conexión en baterías u otros componentes eléctricos que requieren contacto eléctrico entre sí, pero que no deben corroerse con el tiempo debido al contacto con sustancias corrosivas como el agua salada.
Concluyendo
Entonces, ¿qué aleaciones de titanio tienen las mejores propiedades para su aplicación? Eso es difícil de decir. Depende de sus requisitos y del uso previsto de la aleación. Por ejemplo, si fabrica un tipo de anteojos, sería mejor usar titanio más puro ya que la resistencia de una aleación no es necesaria para esta aplicación específica.
Sin embargo, podríamos llevar esta discusión en un millón de direcciones diferentes. Por lo tanto, es posible que desees consultar a un experto para determinar qué tipo de aleación de titanio es mejor para tu proyecto.
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