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Titanio y sus Aleaciones
TITANIO Y SUS ALEACIONES
Marc A. Soler Jose Ricardo Muñoz Mari Carmen Monterde
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Titanio y sus Aleaciones
1. INTRODUCCIÓN
El titanio es un elemento químico, de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, con quien compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más caro, lo cual limita su uso industrial. Es un metal abundante en la naturaleza, es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales con un 0.63 %. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos. Su uso se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque
de
muchos
ácidos,
este
metal
también
tiene
propiedades
biocompatibles. Posee propiedades mecánicas parecidas al acero, tanto puro como en las aleaciones que forma, compite con el acero en muchas aplicaciones técnicas, especialmente con el acero inoxidable. Puede formar aleaciones con otros elementos, tales como hierro, aluminio, vanadio, molibdeno y otros.
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2. HISTORIA TITANIO
Martin Kalproft El titanio (llamado así por los Titanes, hijos de Urano y Gea en la mitología griega) fue descubierto en Inglaterra por el Reverendo inglés William Gregor, en 1791, cuando estudiaba un metal de color gris-plata que había encontrado. Poco después, en 1795, el químico austriaco Martín Kalprotz, descubridor también del uranio, le dio el nombre de titanio. En la naturaleza se encuentra combinado químicamente con oxígeno o hierro, siendo los minerales más importantes la ilmenita ( titanato de hierro: FeTiO3 ) y el rutilo (dióxido de titanio: TiO2 ). Por su parte el titanio debe ser sometido previamente a un proceso metalúrgico de refinado, para prevenir su eventual reacción con sustancias gaseosas, tales como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno. Matthew A. Hunter preparó por primera vez titanio metálico puro (con una pureza del 99.9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio a 700-800 °C en un reactor de acero. El titanio como metal no se usó fuera del laboratorio hasta que en 1946 William
Justin
Kroll
desarrolló
un
método
para
poder
producirlo
comercialmente, mediante la reducción del TiCl4 ( obtenido por cloración de los minerales y purificado por destilación fraccionada ) se reduce con magnesio fundido en vacío o en atmósfera de argón a 800ºC obteniéndose un sólido poroso que se conoce como esponja de titanio; este método es conocido como Método de Kroll.
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3. PRINCIPALES PRODUCTORES Durante los años 50 y 60 la Unión Soviética promovió el empleo de titanio en usos militares y submarinos (Clase Alfa y Clase Miguel) como parte de sus programas militares relacionados con la guerra fría. En los EE.UU., el Departamento de Defensa (DOD) comprendió la importancia estratégica del metal y apoyó los esfuerzos para su comercialización. A lo largo del período de la guerra fría, el gobierno estadounidense consideró al titanio como un material estratégico, y las reservas de esponja de titanio fueron mantenidas por el Centro de Reservas Nacional de Defensa, que desapareció en 2005. Hoy el mayor productor mundial es el consorcio ruso VSMPO-AVISMA, que representa aproximadamente el 29% de la cuota mundial de mercado.
Principales productores de óxido de titanio en 2003
País
Miles de toneladas % del total
Australia
1291,0
30,6
Sudáfrica
850,0
20,1
Canadá
767
18,2
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Noruega
382,9
9,1
Ucrania
357
8,5
Total de los 5 países 3647,9
86,4
Total mundo
100,0
4221,0
Cifras del 2003, en miles de toneladas de dióxido de titanio. Fuente: L'état du monde 2005, annuaire économique géopolique mondial Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50
Ti, siendo el
48
Ti el más abundante (73,8%). Se han caracterizado 11
radioisótopos, siendo los más estables el semidesintegración de 60.0 años, 52
45
44
Ti, con un periodo de
Ti (184.8 minutos),
51
Ti (5.76 minutos) y el
Ti (1,7 minutos). Para el resto, sus periodos de semidesintegración son de
menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo. El peso atómico de los isótopos va desde 39,99 uma (40Ti) hasta 57,966 uma (58Ti).
4. OBTENCIÓN: MÉTODO KROLL El titanio no se encuentra libre en la Naturaleza, los minerales que muestran una mayor
concentración de este metal son el
rutilo (TiO2) y la
ilmenita(FeO•TiO2), además de la anatasa y la brookita (ambas son también TiO2). Para obtener titanio puro, a partir de los minerales que lo contienen se utiliza mayoritariamente el llamado Método de Kroll, que consiste en la reducción del compuesto tetracloruro de titanio con magnesio molido, en una atmósfera de argón para evitar la oxidación. El proceso consta de los siguientes pasos: Página 5 de 44
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Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 900°C, en presencia de carbono, mediante la reacción:
TiO 2 + 2Cl + C → TiCl4 + CO2 TiO 2 + 2Cl + 2C → TiCl4 + 2CO
•
Purificación del tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en atmósfera inerte, con la reacción: TiCl4 + 2Mg
•
800 − 850 0 C
→
Ti + 2MgCl
Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:
•
El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 se recicla electrolíticamente.
4.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS •
Es un metal de transición.
•
Ligero: su Densidad o peso específico es de 4507 kg/m3.
•
Tiene un punto de fusión de 1675ºC (1941 K).
•
El peso atómico del titanio es de 47,867 u.
•
Es de color plateado grisáceo.
•
Paramagnético. No se imanta.
•
Abundante en la Naturaleza.
•
Reciclable.
•
Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas.
•
Muy resistente a la corrosión y oxidación. Página 6 de 44
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Refractario.
•
Poca conductividad. No es muy buen conductor del calor ni de la electricidad. 4.2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
•
Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.
•
Permite fresado químico.
•
Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
•
Dúctil permite la fabricación de alambre delgada.
•
Duro. Escala de Mohs 6.
•
Muy resistente a la tracción.
•
Gran tenacidad.
•
Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
•
Material soldable.
•
Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.
•
Puede mantener una alta memoria de su forma. 4.3. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
•
Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas.
•
Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta (h) llamada fase alfa. Por encima de 882 ºC presenta estructura física centrada en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta.
•
La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas
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puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el boro y otros no metales.
5. ESTRUCTURAS TITANIO El Ti presenta dos estructuras cristalinas: hexagonal compacta (H) y cúbica centrada en el cuerpo (BCC). A Tª ambiente el titanio presenta la estructura H, denominada alfa, y a partir de 882 ºC el titanio puro pasa a estructura cúbica denominada beta. Dependiendo del tipo de aleación que quiere obtenerse, se emplean diferentes aleantes para obtener la estructura beta a temperatura ambiente, pudiendo conseguir distintas propiedades en el material.
La fase alfa sólo contiene estructura H, sin tener estructura BCC. Las aleaciones quasi-alfa (también denominadas superalfa ), forman una proporción de beta durante el calentamienro teniendo un comportamiento
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similara las aleaciones alfa. Las aleaciones alfa+beta contienen fase alfa y fase beta retenida o transformada en martensita. Las aleaciones beta y quasi-beta tienden a retener la fase beta en el enfriamiento inicial hasta temperatura ambiente, pero precipitan fases secundarias durante los tratamientos térmicos.
Los aleantes o agentes estabilizadores alfa elevan la temperatura a la que la fase alfa es estable, mientras que los agentes estabilizadores beta estabilizan la fase beta a bajas temperaturas. Los agentes estabilizadores beta se clasifican en isomorfos y eutectoides. En general se prefiere la utilización de agentes isomorfos por no formar compuestos intermetálicos, sin embargo los eutectoides estabilizan mejor la fase beta y mejoran el endurecimientos y la respuesta a tratamientos térmicos.
6. TITANIO Y TOXICIDAD Debido a la biocompatibilidad del titanio no se han descubierto casos de toxicidad tanto en el titanio elemental como en el dióxido de titanio Se han detectado algunos efectos de la sobreexposición al polvo de titanio por lo que la inhalación del polvo puede causar tirantez y dolor en el pecho, tos, y dificultad para respirar. El o con la piel y los ojos puede provocar irritación. Vías de entrada: Inhalación, o con la piel, o con los ojos. Respecto a la cancerología que pueda tener, la agencia internacional para la investigación del cáncer (IARC) ha incluido el dióxido de titanio en el
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grupo 3 que consiste en que el titanio no es clasificable como elemento cancerígeno en los humanos (el agente no es clasificable con respecto a su carcinogenicidad en humanos) 7. ALEACIONES DE TITANIO Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio porque no hay una norma muy rígida sobre las mismas. Sin embargo las aleaciones más conocidas son las siguientes y se conocen por el grado que tienen. Ti grado 2:
TiFe(0,25-0,30) Es conocido como titanio comercial puro.
Tiene una resistencia a la tracción de 345 Mpa
límite elástico de 275 Mpa
ductilidad del 20%
dureza de 82 HRB
excelente soldadura
resistencia eléctrica de 0,56 (μΩm).
Sus principales aplicaciones son donde se requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad ( Tuberías, intercambiadores de calor,etc) Ti grado 5:
Ti6Al4V
resistencia a la tracción de 896 Mpa
límite elástico de 827 Mpa
ductilidad del 10% una dureza de 33 HRB
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soldabilidad muy buena
resistividad eléctrica de 1,67 (μΩm)
Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas ( Tornillería y piezas forjadas)
Ti grado 19:
Ti3Al 8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C)
resistencia a la tracción de 793 Mpa
límite elástico de 759 Mpa
ductilidad de 15%
dureza de 45 HRB
soldabilidad regular
resistividad de 1,55 (μΩm)
Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la corrosión y a la temperatura ((Aplicaciones marinas y motores de aviones) Ti6246:
Ti6Al 2Sn4Zr6Mo
resistencia a la tracción de 1172 Mpa
límite elástico de 1103 Mpa
ductilidad del 10%
dureza de 39 HRB
soldabilidad limitada
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resistividad eléctrica de 2 (μΩm)
Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.
Por otra parte las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials) ofrecen un sistema práctico de identificación de las diferentes presentaciones del titanio. Los más utilizados son los siguientes: •
Ti grado 1, 2, 3 integran el llamado titanio puro comercial con una composición superior al 99% de Ti.
•
Ti grado 5 y 9 son aleaciones de buena resistencia contra la corrosión y nivel medio de resistencia mecánica.
•
Ti grado 7, 11 y 12 representan aleaciones de mayor resistencia a la corrosión. La aleación Ti Beta-C es una aleación con alta resistencia a la corrosión
y a la temperatura. •
ASTM B265: fleje y chapa
•
ASTM B337/8: tubería soldada y sin soldadura
•
ASTM B348: barras y palanquillas
•
ASTM B263: rios soldados y sin soldadura
•
ASTM B367: piezas de fundición
•
ASTM B381: forjados
Los
productos
consumibles
de
soldadura
son
amparados
por
la
especificación AWS A5.16 8. METALÚRGIA DEL TITANIO El titanio es el único metal ligero ( o semi ligero) que presenta polimorfismo. Para el metal puro presenta una estructura hexagonal compacta
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a menos de 882º y por encima de esta temperatura llamada de b-transus presenta una estructura BCC. Por adición de elementos aleantes se puenden variar estas temperaturas y así conseguirse aleaciones de titanio a , b o a/b.
Dentro de las aleaciones a se habla también de las cuasi a cuando presentan pequeñas cantidades de b y también de aleaciones cuasi b cuando estas presentan pequeñas cantidades de a.
9. ELEMENTOS ALEANTES Los principales elementos a estabilizantes són: O,C y N. Los principales elementos b estabilizantes són: V,Mo y Ta. Los elementos Fe,Mn,Cr,Co,Ni,Cu y Ni también son estabilizantes de la estructura b pero por el mecanismo de formación de un eutéctico.Hay que destacar que el titanio no forma compuestos intermetálicos con los elementos b estabilizantes. Así estos se pueden usar para la prevención de deformación de fases intermetálicas cuando se trabaja a elevada tempertura.
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Fig 1.2,1.3,1.4 También se utilizan como elementos aleantes Al, Sn y Zr. . El zirconio es isomorfo en b y a. El aluminio y el estaño tienen una apreciable solubilidad tanto en la fase a como en la b. Prácticamente todas las aleaciones de titanio presentan alguno de estos 3 elementos de aleación.
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10.DIAGRAMAS DE FASE
Ti-Zr Isomorfo en a i b
Ti-Al . A estabilizante
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Ti-V . b estabilizante con eutectoide
11.ALEACIONES DE TITANIO 11.1.1.TITANIO C.P. Debido a su gran reactividad química es muy difícil obtener titanio puro Así que habitualmente se definen varias calidades de titanio Comercialmente Puro ( titanio ) %peso Calidad
N
C
O
Fe
H
1
0.03
0.10
0.18
0.20
0.0125
2
0.03
0.10
0.25
0.30
0.0125
3
0.05
0.10
0.35
0.30
0.0125
4
0.05
0.10
0.40
0.50
0.0125
Hay que destacar que a pesar de que las cantidades de impurezas son muy bajas, estas afectan en gran manera a sus propiedades mecánicas.
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Calidad
Resistencia a la Límite
elástico
Alargamiento %
tracción (MPa)
(MPa)
1
240
170
24
2
345
275
20
3
450
380
18
4
550
483
15
11.1.1. ALEACIONES A Sólo las aleaciones de titanio i la aleación Ti-5Al-2.5Sn presentan estructura totalmente a. Frecuentemente se usan grados ELI ( extra-low-interstitial) para mejorar la ductilidad y tenacidad a muy bajas temperaturas. Las aleaciones a no se endurecen por tratamiento térmico. Normalmente se encuentran en estado recocido con la estructura equiaxial. Tienen buena soldabilidad y son difíciles de forjar debido al estrecho margen de temperatura donde es posible.
11.1.2.ALEACIONES CASI A Pueden incluir hasta un 2% de elementos b estabilizantes( p.e. Ti-8Al-1Mo-1V ). Con esto se mejora la resistencia mecánica y la forjabilidad. El tratamiento de forja o tratamiento térmico se realiza en la temperatura en que las cantidades de a y b son aproximadamente iguales.
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11.1.3.ALEACIONES A/B Contienen elementos estabilizadores tanto d ella fase a como de la b. Pueden
ser
endurecidos
por
tratamiento
térmico
de
precipitación
y
envejeciemeiento que suele realizar a temperaturas de 480ºC a 650º. Este tratamiento térmico incrementa entre un 30% y 50% los valores de resistencia respecto al estado recocido. La aleacion a/b más conocida es la Ti-6Al-4V la cual representa un 50% de las ventas de aleaciones de titanio.
11.1.4.ALEACIONE B Y CASI B Ricas en elementos
b estabilizantes, se caracterizan por su gran
capacidad de endurecimiento, excelente forjabilidad y capacidad para el trabajo en frío. Se pueden tratar por disolución seguida de un envejecimiento a 450-600ºC en el cual parte de la fase b se transforma en partículas de a finamente dispersas. Las principales desventajas respecto a las aleaciones a o a/b son la mayor densidad, menor resistencia a termofluencia y menor ductilidad. Curiosamente , a pesar de la menor ductilidad, la tenacidad a la fractura de las aleaciones b es mayor que en las aleaciones a o a/b con resistencias similares.
12.MICROESTRUCTURAS Básicamente se pueden obtener 3 estructuras. 12.1.1.Micorestructura equiaxial. Se obtiene por trabajo en frío y recocido a temperaturas menores a b-transus.
Se obtienen
tamaños de grano pequeños debido a la presencia de impurezas que actuan como inhibidores del crecimiento de grano. 12.1.2.Microestructura martensítica. Se obtiene por enfriamiento rápido desde temperatures superiores a b-transus. La martensita que se obtiene es de tipo hexagonal con una dureza relativamente baja debido a la ausencia de intersticiales. 12.1.3.Microestructura
Windmanstatten.
Se
obtiene
por
enfriamiento lento desde temperaturas superiores a b-transus..
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El desarrollo microestructural viene condicionado tanto por los elementos de aleación como de las condiciones del tratamiento térmico o mecánico.
13.EJEMPLOS DE DESARROLLO MICROESTRUCTURAL
Estructura totalmente a .Estructura de granos equiaxiales en un titanio puro deformado en frío y recocido durante 1h a 700ºC. Estructura cuasi a. Aleación Ti-6Al-4V recocida a 925 °C 1 h, enfriada a 760 °C a 50 to 55 °C/h .Después enfriada al aire. La estructura es de granos equiaxiales a con fase b intergranular. Aleación Ti-6Al-4V forjada a 955. Los granos blancos son de fase a. Los negros de fase b con fase a acicular.
14.EFECTO DE VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
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Aleación Ti-5Al-2.5Sn ( estructura totalmente a) deformada en frío y recocida por encima de b transus. Enfriada
a) en el horno (estructura en
placas) b) al aire c) en agua ( estructuras windmanstatten).
Aleación Ti-6Al-4V , calentada por encima de b transus. Enfriamiento (a) en el horno. (b) al aire . La estructura es de a acicular en una matriz de b.
16.EFECTO DE LA TEMPERATURA DE FORJA
Aleación Ti-8Al-1Mo-1V forjada . (a) a 900 °C , ( por debajo de la temperatura habitual de forja) . Estructura equiaxial de a ( blanco) y en una matriz de b ( negro) . (b) a 1005 °C (,temperatura normal de forja) y enfriada al aire. Granos equiaxiales de a en una matriz de b con a acicular (c) a 1095 °C ( por encima de b transus) y enfriado rápidamente al aire. La estructura es una matriz de b con a acicular .
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Aleación Ti-6Al-4V templado desde 950ºC La matriz es de martensita con granos de fase a. Aleación Ti-10V-2Fe-3Al envejecida . Matriz de b con un precipitado de a.
17.NORMAS ESPAÑOLAS EN 3114-001:2006 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 001: Requisitos generales. (Ratificada por AENOR en marzo de 2007.) EN 3114-002:2007 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 002: Microestructura de barras, perfiles, productos destinados a la forja y piezas forjadas. (Ratificada por AENOR en mayo de 2007.) EN 3114-003:2006 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 003: Microestructura de placas. (Ratificada por AENOR en marzo de 2007.) EN 3114-004:2006 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 004: Microestructura de láminas para conformado superplástico. (Ratificada por AENOR en marzo de 2007.)
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EN 3683:2007 Material aeroespacial. Métodos de ensayo. Semi-productos forjados en aleaciones de titanio. Determinación del contenido primario alfa. Método por recuento de puntos y método por intercepción de líneas. (Ratificada por AENOR en junio de 2007.) EN 3684:2007 Material aeroespacial. Métodos de ensayo. Semi-productos forjados en aleaciones de titanio. Determinación de la temperatura de transus ß. Método metalográfico. (Ratificada por AENOR en junio de 2007.) UNE 38700:1981 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Generalidades. UNE 38711:1986 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo titanio. Aleación L-7001, Ti 99,6. UNE 38712:1984 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7002, Ti 99,4. UNE 38713:1989 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo titanio. Aleación L-7003, Ti 99,2. UNE 38714:1985 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7004, Ti 99,0. UNE 38715:1985 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7021, Ti 99,4 Pd. UNE 38716:1984 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7101, Ti-5 Al Sn. UNE 38717:1986 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo súper alfa. Aleación L-7102, Ti-8 Al V Mo. UNE 38718:1985
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Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo súper alfa. Aleación L-7103, Ti-6 Al 4 Zr Mo Sn. UNE 38722:1983 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + compuesto. Aleación L-7501, Ti-2,5 Cu. UNE 38722:1984 ERRATUM Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo: alfa + compuesto. Aleación L-7501 Ti-2,5 Cu. UNE 38723:1981 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7301, Ti-6 Al 4 V. UNE 38725:1984 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7303, Ti-6 Al 6 V Sn. UNE 38726:1986 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7304, Ti-8 Mn. UNE 38727:1990 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7305, Ti-7Al Mo. UNE 38728:1991 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7306, Ti-6 Al6MoZrSn UNE 38729:1985 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo beta. Aleación L-7701, Ti-13 V Cr Al. anio y aleaciones de titanio para forja. Grupo beta. Aleación L-7702, Ti-12 Mo Zr Sn. UNE 55565:1979 UNE-EN 2545-1:1996 Material aeroespacial. Productos de nueva fusión y piezas moldeadas en titanio y sus aleaciones. Especificación técnica. Parte 1: Requisitos generales. UNE-EN 2545-2:1996
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Material aeroespacial. Productos de nueva fusión y piezas moldeadas en titanio y sus aleaciones. Especificación técnica. Parte 2: Productos de nueva fusión. UNE-EN 2545-3:1996 Material aeroespacial. Productos para nueva fusión y piezas moldeadas en titanio y sus aleaciones. Especificación técnica. Parte 3: Piezas prototipo y piezas de serie. UNE-EN 2808:1997 Material aeroespacial. Anodizado del titanio y sus aleaciones. UNE-EN 2858-1:1996 Material aeroespacial. Titanio y sus aleaciones. Productos para forja. Piezas forjadas y piezas matrizadas. Especificación técnica. Parte 1: Generalidades. UNE-EN 2858-2:1996 Material aeroespacial. Titanio y sus aleaciones. Productos para forja. Piezas forjadas y piezas matrizadas. Especificación técnica. Parte 2: Productos para forja. UNE-EN 2858-3:1996 Material aeroespacial. Titanio y sus aleaciones. Productos para forja. Piezas forjadas y matrizadas. Especificación técnica. Parte 3: Piezas tipo y piezas de serie. UNE-EN 2955:1995 Material aeroespacial. Reciclado de la chatarra de titanio y sus aleaciones.
18.PROCESOS DE MANUFACTURA DE TITANIO APLICACIONES DEL TITANIO Y SUS ALEACIONES Las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials) ofrecen un sistema práctico, a la vez que muy difundido, de identificación de las diferentes presentaciones del titanio y de sus aleaciones, de las que citaremos las más utilizadas: Los denominados Titanio grado 1, 2, 3 y 4 integran el llamado titanio puro comercial, con una composición en Ti superior al 99%, utilizado principalmente en aplicaciones que se requiera una resistencia a la corrosión
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superior a otros materiales (acero, aluminio), incrementándose sus propiedades mecánicas en orden ascendente. De ellas, el Ti grado 2 es la especificación más utilizada, ya que posee una soldabilidad excelente. Ti grado 5 y 9 son aleaciones de buena resistencia contra la corrosión y nivel medio de resistencia mecánica. Su uso está limitado a productos específicos. Ti grado 7, 11 y 12 representan aleaciones de mayor resistencia a la corrosión, por ejemplo en procesos de reducción de ácidos clorados. Las propiedades mecánicas de los grados 7 y 11 son las mismas que las de los grados 1 y 2 respectivamente. La aleación Ti Beta-C, es una aleación con alta resistencia a la corrosión y a la temperatura, y se utiliza principalmente en aplicaciones marinas. La lista de especificaciones ASTM cubre todos los productos del titanio y de sus aleaciones: ASTM B 265 FLEJE Y CHAPA. ASTM B 337 TUBERÍA SOLDADA Y SIN SOLDADURA. ASTM B 338 TUBO SOLDADO Y SIN SOLDADURA. ASTM B 348 BARRAS Y PALANQUILLAS. ASTM B 263 RIOS SOLDADOS Y SIN SOLDADURA. ASTM B 367 PIEZAS DE FUNDICIÓN. ASTM B 381 FORJADOS. Los productos consumibles de soldadura son amparados por la especificación AWS A5.16.
MECANIZADO DEL TITANIO El titanio es uno de los metales más difíciles de mecanizar, pero tiene una tasa de producción rasonable y una excelente acabado superficial puede ser obtenido con métodos de mecanizado convencionales si es tomada en cuenta ciertas características de este material como son la reactividad. El éxito en el mecanizado del titanio depende mucho de las propiedades intrínsecas de este material como son: El titanio es químicamente reactivo y por lo tanto tiene una tendencia a soldarse a la herramienta durante el proceso de maquinado, produciendo la falla prematura de la herramienta. Adicionalmente, sus baja conductividad
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térmica incrementa la temperatura de la interfase herramienta/pieza, teniendo consecuencias perjudiciales para la herramienta. El titanio posee un módulo de elasticidad menor que el del acero, por tanto es más elástico, y las piezas mal sujetadas pueden doblarse bajo la presión de las herramientas de corte, provocando problemas de vibraciones, aumento de tolerancias de fabricación y abrasión de las herramientas. De ahí la importancia de unas técnicas rigurosas, así como de unas herramientas de corte en perfectas condiciones de uso. La elección del refrigerante adecuado es muy importante, ya que el titanio es mal conductor térmico, y en los procesos de corte se puede generar un incremento local de temperatura considerable, con riesgo de excoriación y adherencia al filo de la herramienta, y la consiguiente disminución de la vida útil de la misma. Por otra parte, debe evitarse el uso de líquidos que contengan halógenos (cloro, flúor, bromo, yodo), ya que pueden reaccionar con el titanio. Siempre que la selección de herramientas, velocidades de corte y refrigerantes
sean
adecuados,
es
posible
conseguir
unos
acabados
superficiales excelentes. El titanio puede ser mecanizado utilizando las tecnologías habituales para otros materiales, como acero o aleaciones de aluminio. A título general, el mecanizado del titanio puro comercial es similar al del acero inoxidable. Sin embargo, en las aleaciones de titanio, la dificultad del mecanizado aumenta con las propiedades mecánicas de éstas.
FRESADO QUÍMICO En piezas de titanio se puede conseguir un acabado muy preciso utilizando un ataque ácido de superficie, selectivo y controlado. Para ello se sumerge la pieza de titanio en una solución de 120-190 g/l de ácido nítrico y 40-50 g/l de ácido hipofluórico con un agente tensoactivo, manteniendo la temperatura de la solución entre 300- 400 ºC. A 360 ºC, el metal pierde masa a una velocidad de 0,02mm/minuto. Las zonas del material que no deben ser atacadas se protegen con una capa de elastómero de neopreno o de copolímero de isobutileno-isopropileno.
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19.EJECUCIÓN DE UNIONES FIJACIÓN POR TORNILLOS La utilización de tornillos de titanio es frecuente en uniones no permanentes donde el peso y la resistencia mecánica sean factores importantes. Con la misma resistencia del acero, se pueden conseguir ahorros del 44 % en peso. A título de ejemplo, este ahorro en la tornillería utilizada en una motocicleta se puede cuantificar en unos 3 kg.
SOLDADURA POR FUSIÓN El titanio a temperatura superior a la de fusión reacciona fácilmente en o con los gases atmosféricos, sufriendo una decoloración, que puede mostrar un color entre amarillo pajizo y gris plomo. Este aspecto denota pérdida de ductilidad y propiedades mecánicas. Al someter a soldadura piezas de titanio, para evitar estas reacciones, es muy importante proteger en gas inerte, habitualmente argón. El color del cordón de soldadura dará una indicación de su calidad. La limpieza, tanto de las piezas a soldar como del taller en general, es otro factor que influye en una buena soldadura.. •
El titanio comercial puro posee una buena soldabilidad, manteniendo las
piezas soldadas las mismas propiedades mecánicas originales. Las aleaciones, tal como Ti grado 5, se pueden soldar, pero obteniendo unas propiedades mecánicas en las piezas resultantes ligeramente inferiores a las del metal base. El equipo de soldadura con arco en gas inerte para titanio es similar al que se utiliza para otros metales (TIG, MIG), aunque se requiere una mayor protección gaseosa. Para la inspección final de las piezas soldadas, se puede recurrir a las técnicas convencionales de rayos X o líquidos penetrantes. Otras técnicas: •
Soldadura con plasma, permitiendo además un gran ahorro para uniones
a tope de un solo cordón en materiales de hasta 5 mm de espesor. •
Soldadura por puntos y longitudinal, por presión o por calentamiento
eléctrico, siendo similar a la que se utiliza para el acero inoxidable. •
Soldadura por haz de electrones, para obtener grandes velocidades en
los casos en los que las aleaciones de titanio contienen más estabilizadores
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beta; debido a la mayor relación entre espesor y ancho de la soldadura, y al menor aporte térmico, la pieza resultante correrá menos riesgo de deformación.
SOLDADURA POR DIFUSIÓN En aplicaciones industriales del titanio por su resistencia a la corrosión, muchas veces es suficiente una fina lámina de este metal sobre otro material. Sin embargo, el titanio sólo puede ser soldado por fusión únicamente con titanio y con sus aleaciones soldables, por lo que fue preciso desarrollar una técnica que permitiera unir mecánicamente las láminas de titanio a soportes más económicos, tales como el acero. Se puede unir con esta técnica titanio con titanio u otros metales, en horno, por inducción, por arco, o resistencia, utilizando por regla general aleaciones de soldadura blanca con plata. Para la soldadura en horno o por inducción, se debe trabajar en vacío o atmósfera de gas inerte. Para electrodo de tungsteno en gas inerte (TIG), se debe emplear arco de baja intensidad, para facilitar la difusión de la aleación de soldadura sin que el metal base se derrita.
UNIÓN POR DIFUSIÓN Consiste en colocar dos planchas limpias de titanio bajo presión mecánica, en
vacío y en caliente, durante un tiempo específico. En estas
condiciones, el titanio absorbe su capa de óxido, y entonces las superficies en o quedan unidas. Esta unión presenta una integridad muy alta, ya que se produce metalúrgicamente, formando un solo cuerpo. La unión por difusión, es a menudo utilizada conjuntamente con técnicas de conformación superplástica para obtener unas piezas complejas y de alta resistencia a partir de una sola operación de fabricación.
PLAQUEADO POR EXPLOSIÓN Se coloca una lámina de titanio a distancia controlada, encima de la chapa de soporte, y se hace detonar un explosivo, previamente esparcido de modo uniforme. La lámina impacta y se aplasta contra la chapa de soporte, y a la vez, una cantidad de metal de superficie es expulsada desde el vértice del ángulo de colisión, eliminando así todo el residuo contaminante de las superficies de o, y proporcionando una unión metalúrgica. La calidad de la unión puede ser examinada por ultrasonidos.
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Las variedades de titanio de baja a media resistencia (grados 1, 2, 7, 11, 12) son aptos para esta técnica, dando unas piezas con grandes propiedades en cuanto a resistencia contra la corrosión. Se pueden unir por plaqueado explosivo láminas de titanio de hasta 2 mm de espesor, usando por regla general chapas de soporte de 13 mm míniPerfiles huecos o con ángulos entrantes como mínimo y de por lo menos dos veces el espesor del material plaqueado, de hasta 15 m2. Para superficies muy grandes, se pueden utilizar láminas de titanio más pequeñas soldadas entre si, para ser luego plaqueadas por explosión sobre grandes chapas de soporte. Esta técnica permite rebajar el coste de cuerpos de intercambiadores de calor, recipientes de reacción, generadores
de
cloro
y
conductos.
Se
están
desarrollando
nuevas
investigaciones para la aplicación de esta técnica en el revestimiento interior de tuberías.
REVESTIMIENTOS POR LAMINACIÓN Una buena solución alternativa a las técnicas descritas arriba, para grandes superficies, en las que se necesita sólo una fina chapa de titanio para evitar la corrosión, es el chapado por laminación. El Ti grado 1, 2, 7 y 11 es adecuado para ser unido a una chapa base de acero. Mediante varias pasadas en caliente en un tren laminador de gran potencia, se consigue que las chapas se suelden formando una unión intermetálica. Los anchos de las chapas revestidas por laminación pueden varíar entre 2 y 3,2 m, según el espesor, y los largos más comunes son de entre 8 y 12 metros. Los retales de chapas sueltos se pueden unir soldando entre sí chapas base, y utilizar tiras para soldar en solapa y sellar así la superficie de titanio. Las piezas obtenidas sólo pueden utilizarse para servicio a baja presión, pero permite un ahorro de coste considerable en la protección contra la corrosión de tuberías, recipientes y canalizaciones de grandes dimensiones.
20.FABRICACIÓN DE PIEZAS COMPLEJAS FORJADO POR ESTAMPACIÓN La forja de las aleaciones de titanio son producidas por todas las técnicas conocidas tales como: Forja con matriz abierta, matriz cerrada, upsetting, laminado, orbital forging, extrusión hacia adelante y atrás, entre otros.
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La selección del método más adecuado está basado en la forma deseada, propiedades mecánicas, microestructura, costo, etc. Las aleaciones de titanio son más difíciles de forjar que el acero y el aluminio, porque su resistencia a la deformación puede incrementarse dramáticamente con un pequeño cambio en la temperatura del metal y tasa de deformación En la figura Entre los materiales más comunes fabricados por forja se encuentran las bridas, prótesis para implantes médicos, ruedas de competición para vehículos, y rios para tuberías, tanto en titanio comercial puro como en aleaciones (especialmente Ti grado 5).
EXTRUSIÓN Cualquier especificación de titanio se puede extruir, obteniendo perfiles tanto para acabados en bruto como para piezas finales. La técnica de extrusión es particularmente recomendable para la producción de piezas largas y de sección compleja. Hace muchos años que ya se utilizan los perfiles extruídos de alta resistencia en aleación de titanio, para la producción de anillos para motores de aviación.
FUNDICIÒN La fundición del titanio es una industria relativamente joven, debido al desarrollo tan reciente de esta industria. La alta reactividad del titanio, especialmente en el estado fundido, presentando un especial reto de la fundición. El proceso para fundir el titanio es costoso, son necesarios procesos especiales para el moldeo y la limpieza de la superficie para mantener la integridad del material. Existen principalmente dos técnicas: •
Molde de grafito apisonado (similar a la arena), recomendado para
grandes
piezas, por ser el más económico y su procedimiento el más
adecuado a estos casos. No hay necesidad de moldes especiales, y se pueden utilizar los equipos convencionales para fabricar piezas fundidas en titanio. •
Fusión a la cera perdida, resulta más apropiada para piezas de alta
precisión, menor espesor de pared, ángulos más pequeños y acabados de alta calidad.
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Las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son muy similares a las de los productos forjados y su resistencia a la corrosión es igual. Se producen piezas de fundición de hasta 600 kg, tanto en titanio comercial puro como en sus aleaciones. Para grandes estructuras, en general se sueldan dos o más piezas de fundición. Para comprobar el buen estado de la pieza final, se puede proceder a su inspección por líquidos penetrantes, rayos X o ultrasonidos.
PULVIMETALURGIA Para piezas muy complejas, con espesores muy pequeños (1mm), en las que se exigen por lo tanto unos buenos acabados superficiales, la pulvimetalurgía puede ser apropiada. Se puede conseguir pulvitanio de base mediante las siguientes técnicas: •
Sinterizado compactado en frío.
•
Sinterizado prensado isostático en frío.
•
Prensado isostático en caliente (HIP).
•
Prensado en caliente al vacío. La densidad del material obtenido al compactar polvo de titanio a
presiones bajas (alrededor de 275 Mpa) es de un 60 % a un 90 % del metal base, según la técnica utilizada. Las piezas obtenidas por este procedimiento se utilizan en armamento aéreo, en la marina, y en piezas de alta calidad para vehículos, y sus tamaños oscilan desde pocos gramos de peso hasta unos 3 kg.
EMBUTICIÓN SUPERPLÁSTICA La embutición superplástica (SPF), es una técnica de moldeo de metales en caliente que permite fabricar piezas complejas en una sola operación. Por superplasticidad, se entiende una fuerte elongación a la tracción, habitualmente más del 500 %, en materiales policristalinos de grano fino, y a una elevada temperatura. Es apropiada para aleaciones de titanio alfa-beta de grado fino (menos de 10 mm), tales como el TiAl4V. Consiste en colocar una pieza de titanio aleado entre las dos mitades de un troquel, calentando hasta una temperatura determinada. Se insufla entonces
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gas argón caliente en la parte superior del molde, forzando la lámina de titanio aleado contra la parte interior del troquel. A menudo, para estructuras huecas o alveolares, se combina la embutición superplástica con la técnica de unión por difusión, utilizando para ello gas argón caliente para estirar láminas previamente unidas por difusión en puntos localizados o periféricos. Adecuada para grandes lotes de piezas, ofrece las siguientes ventajas: •
Moldeo de piezas complejas en una sola operación.
•
Reducción del periodo de lanzamiento de fabricación.
•
Eliminación de mecanizado.
•
Eliminación de montaje.
•
Reducción de peso y ahorro de coste.
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21.APLICACIONES DE TITANIO Aplicaciones biomédicas: Titanio quirúrgico
Prótesis ósea El titanio es un metal biocompatible, porque los tejidos del organismo toleran su presencia sin que se hayan observado reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de biocompatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de gran utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas antitrauma e implantes dentales,
componentes
para
la
fabricación
de
válvulas
cardíacas
y
marcapasos, gafas, herramental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc., y también la gran cantidad de piezas llamadas piercing. •
La aleación de titanio más empleada en este campo contiene aluminio y vanadio según la composición: [[Ti6Al4V]]. El aluminio incrementa la temperatura de la transformación entre las fases alfa y beta. El vanadio disminuye esa temperatura. La aleación puede ser bien soldada. Tiene alta tenacidad. Las especificaciones de ASTM para el titanio quirúrgico son las
siguientes: •
ASTM B265: placa y lámina: ASTM F1108 Ti 6A4V: pieza moldeada para implantes quirúrgicos
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ASTM B299: esponja: ASTM F1295 Ti6Al7: aleaciones de niobio para aplicaciones de implantes quirúrgicos
•
ASTM B861/B862: tubo: ASTM F1341: alambre de titanio sin aleaciones para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B338: ASTM F136 Ti6Al4V: eli para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B348: barra: ASTM F1472 Ti6Al4V: para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B363: conexiones: ASTM F620 Ti6Al4V: eli forjados para implantes quirúrgicos
•
ASTM B367: piezas moldeadas: ASTM F67: titanio sin aleaciones para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B381: forjado: varias especificaciones especiales AMS y MIL-T Las razones para considerar el material ideal para implantes endoóseos
son: •
El titanio es inerte, la cubierta de óxido en o con los tejidos es insoluble, por lo cual no se liberan iones que pudieran reaccionar con las moléculas orgánicas.
•
El titanio en los tejidos vivos representa una superficie sobre la que el hueso crece y se adhiere al metal, formando un anclaje anquilótico, también llamado osteointegración. Esta reacción normalmente sólo se presenta en los materiales llamados
bioactivos y es la mejor base para los implantes dentales funcionales. •
Posee buenas propiedades mecánicas, su fuerza de tensión es muy semejante a la del acero inoxidable utilizado en las prótesis quirúrgicas que reciben carga. Es mucho más fuerte que la dentina o cualquier cortical ósea, permitiendo a los implantes soportar cargas pesadas.
•
Este metal es suave y maleable lo cual ayuda a absorber el choque de carga.
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OTROS USOS •
Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los haces tubulares que constituyen esos intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie, lo que lo hace mucho más resistente a la corrosión).
•
Industria de procesos químicos: Determinadas aleaciones de titanio se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso tales como bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante. También se emplea en las unidades de desulfuración de gases que permiten reducir las emisiones de dióxido de azufre de las centrales térmicas de carbón. Estas aplicaciones son posibles gracias a la gran resistencia del titanio ante los agentes corrosivos tales como el agua salada, las soluciones de clorito e hipoclorito, el ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros o los ácidos orgánicos.
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•
Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación
de
componentes
de
titanio,
donde
las
empresas
automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los
vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión.
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Componente del turbocompresor del Mitsubishi Lancer fabricado en TiAl que con una baja densidad (3.8 g/cm3) mantiene una propiedades mecánicas buenas a elevadas temperaturas. Componente fabricado por conformado y posterior compactación isostática en caliente (HIP) para eliminar defectos internos.
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Resúmen de los componentes de vehículos pesados que tienen una probabilidad moderada-alta de ser sustituidos por componentes de Ti.
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•
Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la construcción de los portaaviones, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles
Motor de Airbus A-380 con 11 Tm de titanio •
Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales . El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes, y palas de turbinas.
•
Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes
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salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el o con el agua salada no le afecta. •
Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, 30 por ciento más fuertes que los de acero y resisten la corrosión. Generalmente tienen una capa protectora para hacerlos resistentes a los rayones. Se fabrican las cajas de titanio e incluso las correas de sujeción.
Reloj con carcasa de titanio •
Joyería y bisutería: Cada vez se está utilizando más el titanio como metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza.
•
Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.
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•
Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim Bilbao.
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21. RESÚMEN DE APLICACIONES MÁS COMUNES
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22.BIBLIOGRAFÍA
Summary of emerging titanium cost technologies, A study performed for US department of energy and oak ridge national laboratory.
www.ms.oml.gov/programs/energyeff/hvpm/kraft-titanium-2.pdf
Russell A. Chemenkoff Low-cost Powder Metallurgy Technology for particle-reinforced titanium automotive component:manufacturing process feasibility study
www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/alm_04/3a_chemenkoff.pdf
www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/alm_04/3a_lavender.pdf
Matthew J.Donachie Jr, Titanium: A technical guide, ASM Intenational, 1988
D.M.Brunette, P.Tengvall, M.Textor, P.Thomsen, Titanium in medicine:Material science, surface science engineering, biological response and medical applications, springer 2001
www.kobelco.cojp/english/titan
Leyens, Peters (editors), Titanium and titanium Alloys: Fundamentals and applications, Wiley-VCH GmbH &Co. KgaA, 2003
wwww.titanium.com/titanium/coolsurf.cfm
Titanium alloys guide, RMI Titanium company
www.dynamettechnology.com
Challenges for MIM titanium parts, October 2003, metal-powder.net
www.aerometcorp.com
www.plansee.com
www.britishtitanium.co.uk
www.metalysis.com
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TITANIO Y SUS ALEACIONES
Marc A. Soler Jose Ricardo Muñoz Mari Carmen Monterde
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1. INTRODUCCIÓN
El titanio es un elemento químico, de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, con quien compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más caro, lo cual limita su uso industrial. Es un metal abundante en la naturaleza, es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales con un 0.63 %. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos. Su uso se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque
de
muchos
ácidos,
este
metal
también
tiene
propiedades
biocompatibles. Posee propiedades mecánicas parecidas al acero, tanto puro como en las aleaciones que forma, compite con el acero en muchas aplicaciones técnicas, especialmente con el acero inoxidable. Puede formar aleaciones con otros elementos, tales como hierro, aluminio, vanadio, molibdeno y otros.
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2. HISTORIA TITANIO
Martin Kalproft El titanio (llamado así por los Titanes, hijos de Urano y Gea en la mitología griega) fue descubierto en Inglaterra por el Reverendo inglés William Gregor, en 1791, cuando estudiaba un metal de color gris-plata que había encontrado. Poco después, en 1795, el químico austriaco Martín Kalprotz, descubridor también del uranio, le dio el nombre de titanio. En la naturaleza se encuentra combinado químicamente con oxígeno o hierro, siendo los minerales más importantes la ilmenita ( titanato de hierro: FeTiO3 ) y el rutilo (dióxido de titanio: TiO2 ). Por su parte el titanio debe ser sometido previamente a un proceso metalúrgico de refinado, para prevenir su eventual reacción con sustancias gaseosas, tales como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno. Matthew A. Hunter preparó por primera vez titanio metálico puro (con una pureza del 99.9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio a 700-800 °C en un reactor de acero. El titanio como metal no se usó fuera del laboratorio hasta que en 1946 William
Justin
Kroll
desarrolló
un
método
para
poder
producirlo
comercialmente, mediante la reducción del TiCl4 ( obtenido por cloración de los minerales y purificado por destilación fraccionada ) se reduce con magnesio fundido en vacío o en atmósfera de argón a 800ºC obteniéndose un sólido poroso que se conoce como esponja de titanio; este método es conocido como Método de Kroll.
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3. PRINCIPALES PRODUCTORES Durante los años 50 y 60 la Unión Soviética promovió el empleo de titanio en usos militares y submarinos (Clase Alfa y Clase Miguel) como parte de sus programas militares relacionados con la guerra fría. En los EE.UU., el Departamento de Defensa (DOD) comprendió la importancia estratégica del metal y apoyó los esfuerzos para su comercialización. A lo largo del período de la guerra fría, el gobierno estadounidense consideró al titanio como un material estratégico, y las reservas de esponja de titanio fueron mantenidas por el Centro de Reservas Nacional de Defensa, que desapareció en 2005. Hoy el mayor productor mundial es el consorcio ruso VSMPO-AVISMA, que representa aproximadamente el 29% de la cuota mundial de mercado.
Principales productores de óxido de titanio en 2003
País
Miles de toneladas % del total
Australia
1291,0
30,6
Sudáfrica
850,0
20,1
Canadá
767
18,2
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Noruega
382,9
9,1
Ucrania
357
8,5
Total de los 5 países 3647,9
86,4
Total mundo
100,0
4221,0
Cifras del 2003, en miles de toneladas de dióxido de titanio. Fuente: L'état du monde 2005, annuaire économique géopolique mondial Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50
Ti, siendo el
48
Ti el más abundante (73,8%). Se han caracterizado 11
radioisótopos, siendo los más estables el semidesintegración de 60.0 años, 52
45
44
Ti, con un periodo de
Ti (184.8 minutos),
51
Ti (5.76 minutos) y el
Ti (1,7 minutos). Para el resto, sus periodos de semidesintegración son de
menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo. El peso atómico de los isótopos va desde 39,99 uma (40Ti) hasta 57,966 uma (58Ti).
4. OBTENCIÓN: MÉTODO KROLL El titanio no se encuentra libre en la Naturaleza, los minerales que muestran una mayor
concentración de este metal son el
rutilo (TiO2) y la
ilmenita(FeO•TiO2), además de la anatasa y la brookita (ambas son también TiO2). Para obtener titanio puro, a partir de los minerales que lo contienen se utiliza mayoritariamente el llamado Método de Kroll, que consiste en la reducción del compuesto tetracloruro de titanio con magnesio molido, en una atmósfera de argón para evitar la oxidación. El proceso consta de los siguientes pasos: Página 5 de 44
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Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 900°C, en presencia de carbono, mediante la reacción:
TiO 2 + 2Cl + C → TiCl4 + CO2 TiO 2 + 2Cl + 2C → TiCl4 + 2CO
•
Purificación del tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en atmósfera inerte, con la reacción: TiCl4 + 2Mg
•
800 − 850 0 C
→
Ti + 2MgCl
Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:
•
El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 se recicla electrolíticamente.
4.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS •
Es un metal de transición.
•
Ligero: su Densidad o peso específico es de 4507 kg/m3.
•
Tiene un punto de fusión de 1675ºC (1941 K).
•
El peso atómico del titanio es de 47,867 u.
•
Es de color plateado grisáceo.
•
Paramagnético. No se imanta.
•
Abundante en la Naturaleza.
•
Reciclable.
•
Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas.
•
Muy resistente a la corrosión y oxidación. Página 6 de 44
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Refractario.
•
Poca conductividad. No es muy buen conductor del calor ni de la electricidad. 4.2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
•
Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.
•
Permite fresado químico.
•
Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
•
Dúctil permite la fabricación de alambre delgada.
•
Duro. Escala de Mohs 6.
•
Muy resistente a la tracción.
•
Gran tenacidad.
•
Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
•
Material soldable.
•
Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.
•
Puede mantener una alta memoria de su forma. 4.3. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
•
Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas.
•
Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta (h) llamada fase alfa. Por encima de 882 ºC presenta estructura física centrada en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta.
•
La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas
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puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el boro y otros no metales.
5. ESTRUCTURAS TITANIO El Ti presenta dos estructuras cristalinas: hexagonal compacta (H) y cúbica centrada en el cuerpo (BCC). A Tª ambiente el titanio presenta la estructura H, denominada alfa, y a partir de 882 ºC el titanio puro pasa a estructura cúbica denominada beta. Dependiendo del tipo de aleación que quiere obtenerse, se emplean diferentes aleantes para obtener la estructura beta a temperatura ambiente, pudiendo conseguir distintas propiedades en el material.
La fase alfa sólo contiene estructura H, sin tener estructura BCC. Las aleaciones quasi-alfa (también denominadas superalfa ), forman una proporción de beta durante el calentamienro teniendo un comportamiento
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similara las aleaciones alfa. Las aleaciones alfa+beta contienen fase alfa y fase beta retenida o transformada en martensita. Las aleaciones beta y quasi-beta tienden a retener la fase beta en el enfriamiento inicial hasta temperatura ambiente, pero precipitan fases secundarias durante los tratamientos térmicos.
Los aleantes o agentes estabilizadores alfa elevan la temperatura a la que la fase alfa es estable, mientras que los agentes estabilizadores beta estabilizan la fase beta a bajas temperaturas. Los agentes estabilizadores beta se clasifican en isomorfos y eutectoides. En general se prefiere la utilización de agentes isomorfos por no formar compuestos intermetálicos, sin embargo los eutectoides estabilizan mejor la fase beta y mejoran el endurecimientos y la respuesta a tratamientos térmicos.
6. TITANIO Y TOXICIDAD Debido a la biocompatibilidad del titanio no se han descubierto casos de toxicidad tanto en el titanio elemental como en el dióxido de titanio Se han detectado algunos efectos de la sobreexposición al polvo de titanio por lo que la inhalación del polvo puede causar tirantez y dolor en el pecho, tos, y dificultad para respirar. El o con la piel y los ojos puede provocar irritación. Vías de entrada: Inhalación, o con la piel, o con los ojos. Respecto a la cancerología que pueda tener, la agencia internacional para la investigación del cáncer (IARC) ha incluido el dióxido de titanio en el
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grupo 3 que consiste en que el titanio no es clasificable como elemento cancerígeno en los humanos (el agente no es clasificable con respecto a su carcinogenicidad en humanos) 7. ALEACIONES DE TITANIO Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio porque no hay una norma muy rígida sobre las mismas. Sin embargo las aleaciones más conocidas son las siguientes y se conocen por el grado que tienen. Ti grado 2:
TiFe(0,25-0,30) Es conocido como titanio comercial puro.
Tiene una resistencia a la tracción de 345 Mpa
límite elástico de 275 Mpa
ductilidad del 20%
dureza de 82 HRB
excelente soldadura
resistencia eléctrica de 0,56 (μΩm).
Sus principales aplicaciones son donde se requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad ( Tuberías, intercambiadores de calor,etc) Ti grado 5:
Ti6Al4V
resistencia a la tracción de 896 Mpa
límite elástico de 827 Mpa
ductilidad del 10% una dureza de 33 HRB
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soldabilidad muy buena
resistividad eléctrica de 1,67 (μΩm)
Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas ( Tornillería y piezas forjadas)
Ti grado 19:
Ti3Al 8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C)
resistencia a la tracción de 793 Mpa
límite elástico de 759 Mpa
ductilidad de 15%
dureza de 45 HRB
soldabilidad regular
resistividad de 1,55 (μΩm)
Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la corrosión y a la temperatura ((Aplicaciones marinas y motores de aviones) Ti6246:
Ti6Al 2Sn4Zr6Mo
resistencia a la tracción de 1172 Mpa
límite elástico de 1103 Mpa
ductilidad del 10%
dureza de 39 HRB
soldabilidad limitada
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resistividad eléctrica de 2 (μΩm)
Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.
Por otra parte las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials) ofrecen un sistema práctico de identificación de las diferentes presentaciones del titanio. Los más utilizados son los siguientes: •
Ti grado 1, 2, 3 integran el llamado titanio puro comercial con una composición superior al 99% de Ti.
•
Ti grado 5 y 9 son aleaciones de buena resistencia contra la corrosión y nivel medio de resistencia mecánica.
•
Ti grado 7, 11 y 12 representan aleaciones de mayor resistencia a la corrosión. La aleación Ti Beta-C es una aleación con alta resistencia a la corrosión
y a la temperatura. •
ASTM B265: fleje y chapa
•
ASTM B337/8: tubería soldada y sin soldadura
•
ASTM B348: barras y palanquillas
•
ASTM B263: rios soldados y sin soldadura
•
ASTM B367: piezas de fundición
•
ASTM B381: forjados
Los
productos
consumibles
de
soldadura
son
amparados
por
la
especificación AWS A5.16 8. METALÚRGIA DEL TITANIO El titanio es el único metal ligero ( o semi ligero) que presenta polimorfismo. Para el metal puro presenta una estructura hexagonal compacta
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a menos de 882º y por encima de esta temperatura llamada de b-transus presenta una estructura BCC. Por adición de elementos aleantes se puenden variar estas temperaturas y así conseguirse aleaciones de titanio a , b o a/b.
Dentro de las aleaciones a se habla también de las cuasi a cuando presentan pequeñas cantidades de b y también de aleaciones cuasi b cuando estas presentan pequeñas cantidades de a.
9. ELEMENTOS ALEANTES Los principales elementos a estabilizantes són: O,C y N. Los principales elementos b estabilizantes són: V,Mo y Ta. Los elementos Fe,Mn,Cr,Co,Ni,Cu y Ni también son estabilizantes de la estructura b pero por el mecanismo de formación de un eutéctico.Hay que destacar que el titanio no forma compuestos intermetálicos con los elementos b estabilizantes. Así estos se pueden usar para la prevención de deformación de fases intermetálicas cuando se trabaja a elevada tempertura.
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Fig 1.2,1.3,1.4 También se utilizan como elementos aleantes Al, Sn y Zr. . El zirconio es isomorfo en b y a. El aluminio y el estaño tienen una apreciable solubilidad tanto en la fase a como en la b. Prácticamente todas las aleaciones de titanio presentan alguno de estos 3 elementos de aleación.
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10.DIAGRAMAS DE FASE
Ti-Zr Isomorfo en a i b
Ti-Al . A estabilizante
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Ti-V . b estabilizante con eutectoide
11.ALEACIONES DE TITANIO 11.1.1.TITANIO C.P. Debido a su gran reactividad química es muy difícil obtener titanio puro Así que habitualmente se definen varias calidades de titanio Comercialmente Puro ( titanio ) %peso Calidad
N
C
O
Fe
H
1
0.03
0.10
0.18
0.20
0.0125
2
0.03
0.10
0.25
0.30
0.0125
3
0.05
0.10
0.35
0.30
0.0125
4
0.05
0.10
0.40
0.50
0.0125
Hay que destacar que a pesar de que las cantidades de impurezas son muy bajas, estas afectan en gran manera a sus propiedades mecánicas.
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Calidad
Resistencia a la Límite
elástico
Alargamiento %
tracción (MPa)
(MPa)
1
240
170
24
2
345
275
20
3
450
380
18
4
550
483
15
11.1.1. ALEACIONES A Sólo las aleaciones de titanio i la aleación Ti-5Al-2.5Sn presentan estructura totalmente a. Frecuentemente se usan grados ELI ( extra-low-interstitial) para mejorar la ductilidad y tenacidad a muy bajas temperaturas. Las aleaciones a no se endurecen por tratamiento térmico. Normalmente se encuentran en estado recocido con la estructura equiaxial. Tienen buena soldabilidad y son difíciles de forjar debido al estrecho margen de temperatura donde es posible.
11.1.2.ALEACIONES CASI A Pueden incluir hasta un 2% de elementos b estabilizantes( p.e. Ti-8Al-1Mo-1V ). Con esto se mejora la resistencia mecánica y la forjabilidad. El tratamiento de forja o tratamiento térmico se realiza en la temperatura en que las cantidades de a y b son aproximadamente iguales.
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11.1.3.ALEACIONES A/B Contienen elementos estabilizadores tanto d ella fase a como de la b. Pueden
ser
endurecidos
por
tratamiento
térmico
de
precipitación
y
envejeciemeiento que suele realizar a temperaturas de 480ºC a 650º. Este tratamiento térmico incrementa entre un 30% y 50% los valores de resistencia respecto al estado recocido. La aleacion a/b más conocida es la Ti-6Al-4V la cual representa un 50% de las ventas de aleaciones de titanio.
11.1.4.ALEACIONE B Y CASI B Ricas en elementos
b estabilizantes, se caracterizan por su gran
capacidad de endurecimiento, excelente forjabilidad y capacidad para el trabajo en frío. Se pueden tratar por disolución seguida de un envejecimiento a 450-600ºC en el cual parte de la fase b se transforma en partículas de a finamente dispersas. Las principales desventajas respecto a las aleaciones a o a/b son la mayor densidad, menor resistencia a termofluencia y menor ductilidad. Curiosamente , a pesar de la menor ductilidad, la tenacidad a la fractura de las aleaciones b es mayor que en las aleaciones a o a/b con resistencias similares.
12.MICROESTRUCTURAS Básicamente se pueden obtener 3 estructuras. 12.1.1.Micorestructura equiaxial. Se obtiene por trabajo en frío y recocido a temperaturas menores a b-transus.
Se obtienen
tamaños de grano pequeños debido a la presencia de impurezas que actuan como inhibidores del crecimiento de grano. 12.1.2.Microestructura martensítica. Se obtiene por enfriamiento rápido desde temperatures superiores a b-transus. La martensita que se obtiene es de tipo hexagonal con una dureza relativamente baja debido a la ausencia de intersticiales. 12.1.3.Microestructura
Windmanstatten.
Se
obtiene
por
enfriamiento lento desde temperaturas superiores a b-transus..
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El desarrollo microestructural viene condicionado tanto por los elementos de aleación como de las condiciones del tratamiento térmico o mecánico.
13.EJEMPLOS DE DESARROLLO MICROESTRUCTURAL
Estructura totalmente a .Estructura de granos equiaxiales en un titanio puro deformado en frío y recocido durante 1h a 700ºC. Estructura cuasi a. Aleación Ti-6Al-4V recocida a 925 °C 1 h, enfriada a 760 °C a 50 to 55 °C/h .Después enfriada al aire. La estructura es de granos equiaxiales a con fase b intergranular. Aleación Ti-6Al-4V forjada a 955. Los granos blancos son de fase a. Los negros de fase b con fase a acicular.
14.EFECTO DE VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
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Aleación Ti-5Al-2.5Sn ( estructura totalmente a) deformada en frío y recocida por encima de b transus. Enfriada
a) en el horno (estructura en
placas) b) al aire c) en agua ( estructuras windmanstatten).
Aleación Ti-6Al-4V , calentada por encima de b transus. Enfriamiento (a) en el horno. (b) al aire . La estructura es de a acicular en una matriz de b.
16.EFECTO DE LA TEMPERATURA DE FORJA
Aleación Ti-8Al-1Mo-1V forjada . (a) a 900 °C , ( por debajo de la temperatura habitual de forja) . Estructura equiaxial de a ( blanco) y en una matriz de b ( negro) . (b) a 1005 °C (,temperatura normal de forja) y enfriada al aire. Granos equiaxiales de a en una matriz de b con a acicular (c) a 1095 °C ( por encima de b transus) y enfriado rápidamente al aire. La estructura es una matriz de b con a acicular .
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Aleación Ti-6Al-4V templado desde 950ºC La matriz es de martensita con granos de fase a. Aleación Ti-10V-2Fe-3Al envejecida . Matriz de b con un precipitado de a.
17.NORMAS ESPAÑOLAS EN 3114-001:2006 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 001: Requisitos generales. (Ratificada por AENOR en marzo de 2007.) EN 3114-002:2007 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 002: Microestructura de barras, perfiles, productos destinados a la forja y piezas forjadas. (Ratificada por AENOR en mayo de 2007.) EN 3114-003:2006 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 003: Microestructura de placas. (Ratificada por AENOR en marzo de 2007.) EN 3114-004:2006 Material aeroespacial. Método de ensayo. Microestructura de productos de hierro forjado en aleación de titanio (alfa + ß). Parte 004: Microestructura de láminas para conformado superplástico. (Ratificada por AENOR en marzo de 2007.)
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EN 3683:2007 Material aeroespacial. Métodos de ensayo. Semi-productos forjados en aleaciones de titanio. Determinación del contenido primario alfa. Método por recuento de puntos y método por intercepción de líneas. (Ratificada por AENOR en junio de 2007.) EN 3684:2007 Material aeroespacial. Métodos de ensayo. Semi-productos forjados en aleaciones de titanio. Determinación de la temperatura de transus ß. Método metalográfico. (Ratificada por AENOR en junio de 2007.) UNE 38700:1981 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Generalidades. UNE 38711:1986 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo titanio. Aleación L-7001, Ti 99,6. UNE 38712:1984 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7002, Ti 99,4. UNE 38713:1989 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo titanio. Aleación L-7003, Ti 99,2. UNE 38714:1985 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7004, Ti 99,0. UNE 38715:1985 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7021, Ti 99,4 Pd. UNE 38716:1984 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa. Aleación L-7101, Ti-5 Al Sn. UNE 38717:1986 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo súper alfa. Aleación L-7102, Ti-8 Al V Mo. UNE 38718:1985
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Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo súper alfa. Aleación L-7103, Ti-6 Al 4 Zr Mo Sn. UNE 38722:1983 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + compuesto. Aleación L-7501, Ti-2,5 Cu. UNE 38722:1984 ERRATUM Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo: alfa + compuesto. Aleación L-7501 Ti-2,5 Cu. UNE 38723:1981 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7301, Ti-6 Al 4 V. UNE 38725:1984 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7303, Ti-6 Al 6 V Sn. UNE 38726:1986 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7304, Ti-8 Mn. UNE 38727:1990 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7305, Ti-7Al Mo. UNE 38728:1991 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo alfa + beta. Aleación L-7306, Ti-6 Al6MoZrSn UNE 38729:1985 Titanio y aleaciones de titanio para forja. Grupo beta. Aleación L-7701, Ti-13 V Cr Al. anio y aleaciones de titanio para forja. Grupo beta. Aleación L-7702, Ti-12 Mo Zr Sn. UNE 55565:1979 UNE-EN 2545-1:1996 Material aeroespacial. Productos de nueva fusión y piezas moldeadas en titanio y sus aleaciones. Especificación técnica. Parte 1: Requisitos generales. UNE-EN 2545-2:1996
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Material aeroespacial. Productos de nueva fusión y piezas moldeadas en titanio y sus aleaciones. Especificación técnica. Parte 2: Productos de nueva fusión. UNE-EN 2545-3:1996 Material aeroespacial. Productos para nueva fusión y piezas moldeadas en titanio y sus aleaciones. Especificación técnica. Parte 3: Piezas prototipo y piezas de serie. UNE-EN 2808:1997 Material aeroespacial. Anodizado del titanio y sus aleaciones. UNE-EN 2858-1:1996 Material aeroespacial. Titanio y sus aleaciones. Productos para forja. Piezas forjadas y piezas matrizadas. Especificación técnica. Parte 1: Generalidades. UNE-EN 2858-2:1996 Material aeroespacial. Titanio y sus aleaciones. Productos para forja. Piezas forjadas y piezas matrizadas. Especificación técnica. Parte 2: Productos para forja. UNE-EN 2858-3:1996 Material aeroespacial. Titanio y sus aleaciones. Productos para forja. Piezas forjadas y matrizadas. Especificación técnica. Parte 3: Piezas tipo y piezas de serie. UNE-EN 2955:1995 Material aeroespacial. Reciclado de la chatarra de titanio y sus aleaciones.
18.PROCESOS DE MANUFACTURA DE TITANIO APLICACIONES DEL TITANIO Y SUS ALEACIONES Las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials) ofrecen un sistema práctico, a la vez que muy difundido, de identificación de las diferentes presentaciones del titanio y de sus aleaciones, de las que citaremos las más utilizadas: Los denominados Titanio grado 1, 2, 3 y 4 integran el llamado titanio puro comercial, con una composición en Ti superior al 99%, utilizado principalmente en aplicaciones que se requiera una resistencia a la corrosión
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superior a otros materiales (acero, aluminio), incrementándose sus propiedades mecánicas en orden ascendente. De ellas, el Ti grado 2 es la especificación más utilizada, ya que posee una soldabilidad excelente. Ti grado 5 y 9 son aleaciones de buena resistencia contra la corrosión y nivel medio de resistencia mecánica. Su uso está limitado a productos específicos. Ti grado 7, 11 y 12 representan aleaciones de mayor resistencia a la corrosión, por ejemplo en procesos de reducción de ácidos clorados. Las propiedades mecánicas de los grados 7 y 11 son las mismas que las de los grados 1 y 2 respectivamente. La aleación Ti Beta-C, es una aleación con alta resistencia a la corrosión y a la temperatura, y se utiliza principalmente en aplicaciones marinas. La lista de especificaciones ASTM cubre todos los productos del titanio y de sus aleaciones: ASTM B 265 FLEJE Y CHAPA. ASTM B 337 TUBERÍA SOLDADA Y SIN SOLDADURA. ASTM B 338 TUBO SOLDADO Y SIN SOLDADURA. ASTM B 348 BARRAS Y PALANQUILLAS. ASTM B 263 RIOS SOLDADOS Y SIN SOLDADURA. ASTM B 367 PIEZAS DE FUNDICIÓN. ASTM B 381 FORJADOS. Los productos consumibles de soldadura son amparados por la especificación AWS A5.16.
MECANIZADO DEL TITANIO El titanio es uno de los metales más difíciles de mecanizar, pero tiene una tasa de producción rasonable y una excelente acabado superficial puede ser obtenido con métodos de mecanizado convencionales si es tomada en cuenta ciertas características de este material como son la reactividad. El éxito en el mecanizado del titanio depende mucho de las propiedades intrínsecas de este material como son: El titanio es químicamente reactivo y por lo tanto tiene una tendencia a soldarse a la herramienta durante el proceso de maquinado, produciendo la falla prematura de la herramienta. Adicionalmente, sus baja conductividad
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térmica incrementa la temperatura de la interfase herramienta/pieza, teniendo consecuencias perjudiciales para la herramienta. El titanio posee un módulo de elasticidad menor que el del acero, por tanto es más elástico, y las piezas mal sujetadas pueden doblarse bajo la presión de las herramientas de corte, provocando problemas de vibraciones, aumento de tolerancias de fabricación y abrasión de las herramientas. De ahí la importancia de unas técnicas rigurosas, así como de unas herramientas de corte en perfectas condiciones de uso. La elección del refrigerante adecuado es muy importante, ya que el titanio es mal conductor térmico, y en los procesos de corte se puede generar un incremento local de temperatura considerable, con riesgo de excoriación y adherencia al filo de la herramienta, y la consiguiente disminución de la vida útil de la misma. Por otra parte, debe evitarse el uso de líquidos que contengan halógenos (cloro, flúor, bromo, yodo), ya que pueden reaccionar con el titanio. Siempre que la selección de herramientas, velocidades de corte y refrigerantes
sean
adecuados,
es
posible
conseguir
unos
acabados
superficiales excelentes. El titanio puede ser mecanizado utilizando las tecnologías habituales para otros materiales, como acero o aleaciones de aluminio. A título general, el mecanizado del titanio puro comercial es similar al del acero inoxidable. Sin embargo, en las aleaciones de titanio, la dificultad del mecanizado aumenta con las propiedades mecánicas de éstas.
FRESADO QUÍMICO En piezas de titanio se puede conseguir un acabado muy preciso utilizando un ataque ácido de superficie, selectivo y controlado. Para ello se sumerge la pieza de titanio en una solución de 120-190 g/l de ácido nítrico y 40-50 g/l de ácido hipofluórico con un agente tensoactivo, manteniendo la temperatura de la solución entre 300- 400 ºC. A 360 ºC, el metal pierde masa a una velocidad de 0,02mm/minuto. Las zonas del material que no deben ser atacadas se protegen con una capa de elastómero de neopreno o de copolímero de isobutileno-isopropileno.
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19.EJECUCIÓN DE UNIONES FIJACIÓN POR TORNILLOS La utilización de tornillos de titanio es frecuente en uniones no permanentes donde el peso y la resistencia mecánica sean factores importantes. Con la misma resistencia del acero, se pueden conseguir ahorros del 44 % en peso. A título de ejemplo, este ahorro en la tornillería utilizada en una motocicleta se puede cuantificar en unos 3 kg.
SOLDADURA POR FUSIÓN El titanio a temperatura superior a la de fusión reacciona fácilmente en o con los gases atmosféricos, sufriendo una decoloración, que puede mostrar un color entre amarillo pajizo y gris plomo. Este aspecto denota pérdida de ductilidad y propiedades mecánicas. Al someter a soldadura piezas de titanio, para evitar estas reacciones, es muy importante proteger en gas inerte, habitualmente argón. El color del cordón de soldadura dará una indicación de su calidad. La limpieza, tanto de las piezas a soldar como del taller en general, es otro factor que influye en una buena soldadura.. •
El titanio comercial puro posee una buena soldabilidad, manteniendo las
piezas soldadas las mismas propiedades mecánicas originales. Las aleaciones, tal como Ti grado 5, se pueden soldar, pero obteniendo unas propiedades mecánicas en las piezas resultantes ligeramente inferiores a las del metal base. El equipo de soldadura con arco en gas inerte para titanio es similar al que se utiliza para otros metales (TIG, MIG), aunque se requiere una mayor protección gaseosa. Para la inspección final de las piezas soldadas, se puede recurrir a las técnicas convencionales de rayos X o líquidos penetrantes. Otras técnicas: •
Soldadura con plasma, permitiendo además un gran ahorro para uniones
a tope de un solo cordón en materiales de hasta 5 mm de espesor. •
Soldadura por puntos y longitudinal, por presión o por calentamiento
eléctrico, siendo similar a la que se utiliza para el acero inoxidable. •
Soldadura por haz de electrones, para obtener grandes velocidades en
los casos en los que las aleaciones de titanio contienen más estabilizadores
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beta; debido a la mayor relación entre espesor y ancho de la soldadura, y al menor aporte térmico, la pieza resultante correrá menos riesgo de deformación.
SOLDADURA POR DIFUSIÓN En aplicaciones industriales del titanio por su resistencia a la corrosión, muchas veces es suficiente una fina lámina de este metal sobre otro material. Sin embargo, el titanio sólo puede ser soldado por fusión únicamente con titanio y con sus aleaciones soldables, por lo que fue preciso desarrollar una técnica que permitiera unir mecánicamente las láminas de titanio a soportes más económicos, tales como el acero. Se puede unir con esta técnica titanio con titanio u otros metales, en horno, por inducción, por arco, o resistencia, utilizando por regla general aleaciones de soldadura blanca con plata. Para la soldadura en horno o por inducción, se debe trabajar en vacío o atmósfera de gas inerte. Para electrodo de tungsteno en gas inerte (TIG), se debe emplear arco de baja intensidad, para facilitar la difusión de la aleación de soldadura sin que el metal base se derrita.
UNIÓN POR DIFUSIÓN Consiste en colocar dos planchas limpias de titanio bajo presión mecánica, en
vacío y en caliente, durante un tiempo específico. En estas
condiciones, el titanio absorbe su capa de óxido, y entonces las superficies en o quedan unidas. Esta unión presenta una integridad muy alta, ya que se produce metalúrgicamente, formando un solo cuerpo. La unión por difusión, es a menudo utilizada conjuntamente con técnicas de conformación superplástica para obtener unas piezas complejas y de alta resistencia a partir de una sola operación de fabricación.
PLAQUEADO POR EXPLOSIÓN Se coloca una lámina de titanio a distancia controlada, encima de la chapa de soporte, y se hace detonar un explosivo, previamente esparcido de modo uniforme. La lámina impacta y se aplasta contra la chapa de soporte, y a la vez, una cantidad de metal de superficie es expulsada desde el vértice del ángulo de colisión, eliminando así todo el residuo contaminante de las superficies de o, y proporcionando una unión metalúrgica. La calidad de la unión puede ser examinada por ultrasonidos.
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Las variedades de titanio de baja a media resistencia (grados 1, 2, 7, 11, 12) son aptos para esta técnica, dando unas piezas con grandes propiedades en cuanto a resistencia contra la corrosión. Se pueden unir por plaqueado explosivo láminas de titanio de hasta 2 mm de espesor, usando por regla general chapas de soporte de 13 mm míniPerfiles huecos o con ángulos entrantes como mínimo y de por lo menos dos veces el espesor del material plaqueado, de hasta 15 m2. Para superficies muy grandes, se pueden utilizar láminas de titanio más pequeñas soldadas entre si, para ser luego plaqueadas por explosión sobre grandes chapas de soporte. Esta técnica permite rebajar el coste de cuerpos de intercambiadores de calor, recipientes de reacción, generadores
de
cloro
y
conductos.
Se
están
desarrollando
nuevas
investigaciones para la aplicación de esta técnica en el revestimiento interior de tuberías.
REVESTIMIENTOS POR LAMINACIÓN Una buena solución alternativa a las técnicas descritas arriba, para grandes superficies, en las que se necesita sólo una fina chapa de titanio para evitar la corrosión, es el chapado por laminación. El Ti grado 1, 2, 7 y 11 es adecuado para ser unido a una chapa base de acero. Mediante varias pasadas en caliente en un tren laminador de gran potencia, se consigue que las chapas se suelden formando una unión intermetálica. Los anchos de las chapas revestidas por laminación pueden varíar entre 2 y 3,2 m, según el espesor, y los largos más comunes son de entre 8 y 12 metros. Los retales de chapas sueltos se pueden unir soldando entre sí chapas base, y utilizar tiras para soldar en solapa y sellar así la superficie de titanio. Las piezas obtenidas sólo pueden utilizarse para servicio a baja presión, pero permite un ahorro de coste considerable en la protección contra la corrosión de tuberías, recipientes y canalizaciones de grandes dimensiones.
20.FABRICACIÓN DE PIEZAS COMPLEJAS FORJADO POR ESTAMPACIÓN La forja de las aleaciones de titanio son producidas por todas las técnicas conocidas tales como: Forja con matriz abierta, matriz cerrada, upsetting, laminado, orbital forging, extrusión hacia adelante y atrás, entre otros.
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La selección del método más adecuado está basado en la forma deseada, propiedades mecánicas, microestructura, costo, etc. Las aleaciones de titanio son más difíciles de forjar que el acero y el aluminio, porque su resistencia a la deformación puede incrementarse dramáticamente con un pequeño cambio en la temperatura del metal y tasa de deformación En la figura Entre los materiales más comunes fabricados por forja se encuentran las bridas, prótesis para implantes médicos, ruedas de competición para vehículos, y rios para tuberías, tanto en titanio comercial puro como en aleaciones (especialmente Ti grado 5).
EXTRUSIÓN Cualquier especificación de titanio se puede extruir, obteniendo perfiles tanto para acabados en bruto como para piezas finales. La técnica de extrusión es particularmente recomendable para la producción de piezas largas y de sección compleja. Hace muchos años que ya se utilizan los perfiles extruídos de alta resistencia en aleación de titanio, para la producción de anillos para motores de aviación.
FUNDICIÒN La fundición del titanio es una industria relativamente joven, debido al desarrollo tan reciente de esta industria. La alta reactividad del titanio, especialmente en el estado fundido, presentando un especial reto de la fundición. El proceso para fundir el titanio es costoso, son necesarios procesos especiales para el moldeo y la limpieza de la superficie para mantener la integridad del material. Existen principalmente dos técnicas: •
Molde de grafito apisonado (similar a la arena), recomendado para
grandes
piezas, por ser el más económico y su procedimiento el más
adecuado a estos casos. No hay necesidad de moldes especiales, y se pueden utilizar los equipos convencionales para fabricar piezas fundidas en titanio. •
Fusión a la cera perdida, resulta más apropiada para piezas de alta
precisión, menor espesor de pared, ángulos más pequeños y acabados de alta calidad.
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Titanio y sus Aleaciones
Las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son muy similares a las de los productos forjados y su resistencia a la corrosión es igual. Se producen piezas de fundición de hasta 600 kg, tanto en titanio comercial puro como en sus aleaciones. Para grandes estructuras, en general se sueldan dos o más piezas de fundición. Para comprobar el buen estado de la pieza final, se puede proceder a su inspección por líquidos penetrantes, rayos X o ultrasonidos.
PULVIMETALURGIA Para piezas muy complejas, con espesores muy pequeños (1mm), en las que se exigen por lo tanto unos buenos acabados superficiales, la pulvimetalurgía puede ser apropiada. Se puede conseguir pulvitanio de base mediante las siguientes técnicas: •
Sinterizado compactado en frío.
•
Sinterizado prensado isostático en frío.
•
Prensado isostático en caliente (HIP).
•
Prensado en caliente al vacío. La densidad del material obtenido al compactar polvo de titanio a
presiones bajas (alrededor de 275 Mpa) es de un 60 % a un 90 % del metal base, según la técnica utilizada. Las piezas obtenidas por este procedimiento se utilizan en armamento aéreo, en la marina, y en piezas de alta calidad para vehículos, y sus tamaños oscilan desde pocos gramos de peso hasta unos 3 kg.
EMBUTICIÓN SUPERPLÁSTICA La embutición superplástica (SPF), es una técnica de moldeo de metales en caliente que permite fabricar piezas complejas en una sola operación. Por superplasticidad, se entiende una fuerte elongación a la tracción, habitualmente más del 500 %, en materiales policristalinos de grano fino, y a una elevada temperatura. Es apropiada para aleaciones de titanio alfa-beta de grado fino (menos de 10 mm), tales como el TiAl4V. Consiste en colocar una pieza de titanio aleado entre las dos mitades de un troquel, calentando hasta una temperatura determinada. Se insufla entonces
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gas argón caliente en la parte superior del molde, forzando la lámina de titanio aleado contra la parte interior del troquel. A menudo, para estructuras huecas o alveolares, se combina la embutición superplástica con la técnica de unión por difusión, utilizando para ello gas argón caliente para estirar láminas previamente unidas por difusión en puntos localizados o periféricos. Adecuada para grandes lotes de piezas, ofrece las siguientes ventajas: •
Moldeo de piezas complejas en una sola operación.
•
Reducción del periodo de lanzamiento de fabricación.
•
Eliminación de mecanizado.
•
Eliminación de montaje.
•
Reducción de peso y ahorro de coste.
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21.APLICACIONES DE TITANIO Aplicaciones biomédicas: Titanio quirúrgico
Prótesis ósea El titanio es un metal biocompatible, porque los tejidos del organismo toleran su presencia sin que se hayan observado reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de biocompatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de gran utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas antitrauma e implantes dentales,
componentes
para
la
fabricación
de
válvulas
cardíacas
y
marcapasos, gafas, herramental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc., y también la gran cantidad de piezas llamadas piercing. •
La aleación de titanio más empleada en este campo contiene aluminio y vanadio según la composición: [[Ti6Al4V]]. El aluminio incrementa la temperatura de la transformación entre las fases alfa y beta. El vanadio disminuye esa temperatura. La aleación puede ser bien soldada. Tiene alta tenacidad. Las especificaciones de ASTM para el titanio quirúrgico son las
siguientes: •
ASTM B265: placa y lámina: ASTM F1108 Ti 6A4V: pieza moldeada para implantes quirúrgicos
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ASTM B299: esponja: ASTM F1295 Ti6Al7: aleaciones de niobio para aplicaciones de implantes quirúrgicos
•
ASTM B861/B862: tubo: ASTM F1341: alambre de titanio sin aleaciones para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B338: ASTM F136 Ti6Al4V: eli para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B348: barra: ASTM F1472 Ti6Al4V: para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B363: conexiones: ASTM F620 Ti6Al4V: eli forjados para implantes quirúrgicos
•
ASTM B367: piezas moldeadas: ASTM F67: titanio sin aleaciones para aplicaciones de implante quirúrgico
•
ASTM B381: forjado: varias especificaciones especiales AMS y MIL-T Las razones para considerar el material ideal para implantes endoóseos
son: •
El titanio es inerte, la cubierta de óxido en o con los tejidos es insoluble, por lo cual no se liberan iones que pudieran reaccionar con las moléculas orgánicas.
•
El titanio en los tejidos vivos representa una superficie sobre la que el hueso crece y se adhiere al metal, formando un anclaje anquilótico, también llamado osteointegración. Esta reacción normalmente sólo se presenta en los materiales llamados
bioactivos y es la mejor base para los implantes dentales funcionales. •
Posee buenas propiedades mecánicas, su fuerza de tensión es muy semejante a la del acero inoxidable utilizado en las prótesis quirúrgicas que reciben carga. Es mucho más fuerte que la dentina o cualquier cortical ósea, permitiendo a los implantes soportar cargas pesadas.
•
Este metal es suave y maleable lo cual ayuda a absorber el choque de carga.
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OTROS USOS •
Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los haces tubulares que constituyen esos intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie, lo que lo hace mucho más resistente a la corrosión).
•
Industria de procesos químicos: Determinadas aleaciones de titanio se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso tales como bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante. También se emplea en las unidades de desulfuración de gases que permiten reducir las emisiones de dióxido de azufre de las centrales térmicas de carbón. Estas aplicaciones son posibles gracias a la gran resistencia del titanio ante los agentes corrosivos tales como el agua salada, las soluciones de clorito e hipoclorito, el ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros o los ácidos orgánicos.
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•
Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación
de
componentes
de
titanio,
donde
las
empresas
automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los
vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión.
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Componente del turbocompresor del Mitsubishi Lancer fabricado en TiAl que con una baja densidad (3.8 g/cm3) mantiene una propiedades mecánicas buenas a elevadas temperaturas. Componente fabricado por conformado y posterior compactación isostática en caliente (HIP) para eliminar defectos internos.
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Resúmen de los componentes de vehículos pesados que tienen una probabilidad moderada-alta de ser sustituidos por componentes de Ti.
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•
Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la construcción de los portaaviones, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles
Motor de Airbus A-380 con 11 Tm de titanio •
Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales . El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes, y palas de turbinas.
•
Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes
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Titanio y sus Aleaciones
salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el o con el agua salada no le afecta. •
Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, 30 por ciento más fuertes que los de acero y resisten la corrosión. Generalmente tienen una capa protectora para hacerlos resistentes a los rayones. Se fabrican las cajas de titanio e incluso las correas de sujeción.
Reloj con carcasa de titanio •
Joyería y bisutería: Cada vez se está utilizando más el titanio como metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza.
•
Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.
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•
Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim Bilbao.
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21. RESÚMEN DE APLICACIONES MÁS COMUNES
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22.BIBLIOGRAFÍA
Summary of emerging titanium cost technologies, A study performed for US department of energy and oak ridge national laboratory.
www.ms.oml.gov/programs/energyeff/hvpm/kraft-titanium-2.pdf
Russell A. Chemenkoff Low-cost Powder Metallurgy Technology for particle-reinforced titanium automotive component:manufacturing process feasibility study
www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/alm_04/3a_chemenkoff.pdf
www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/alm_04/3a_lavender.pdf
Matthew J.Donachie Jr, Titanium: A technical guide, ASM Intenational, 1988
D.M.Brunette, P.Tengvall, M.Textor, P.Thomsen, Titanium in medicine:Material science, surface science engineering, biological response and medical applications, springer 2001
www.kobelco.cojp/english/titan
Leyens, Peters (editors), Titanium and titanium Alloys: Fundamentals and applications, Wiley-VCH GmbH &Co. KgaA, 2003
wwww.titanium.com/titanium/coolsurf.cfm
Titanium alloys guide, RMI Titanium company
www.dynamettechnology.com
Challenges for MIM titanium parts, October 2003, metal-powder.net
www.aerometcorp.com
www.plansee.com
www.britishtitanium.co.uk
www.metalysis.com
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