Aunque el titanio "comercialmente puro" tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales , para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio , normalmente un 6% y un 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite sufrir un endurecimiento por precipitación . Este proceso de tratamiento térmico se lleva a cabo después de que la aleación haya alcanzado su forma final pero antes de que se utilice, lo que permite una fabricación mucho más sencilla de un producto de alta resistencia.
Las aleaciones de titanio generalmente se clasifican en cuatro categorías principales: [1]
Aleaciones alfa que contienen elementos de aleación neutros (como el estaño ) y/o estabilizadores alfa (como el aluminio o el oxígeno ) únicamente. No son tratables térmicamente. Algunos ejemplos incluyen: [2] Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
Aleaciones alfa y beta, que son metaestables y generalmente incluyen alguna combinación de estabilizadores alfa y beta, y que pueden ser tratadas térmicamente. Algunos ejemplos incluyen: [2] Ti-6Al-4V , Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb y Ti62A [3]
Aleaciones beta y casi beta, que son metaestables y que contienen suficientes estabilizadores beta (como molibdeno, silicio y vanadio) para permitirles mantener la fase beta cuando se enfrían , y que también pueden tratarse en solución y envejecerse para mejorar la resistencia. Algunos ejemplos incluyen: [2] Ti-10V-2Fe-3Al , Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr, [4] Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15-3.
Las aleaciones de titanio tienen una excelente formabilidad y se pueden soldar fácilmente. [6]
El titanio beta se utiliza hoy en día ampliamente en el campo de la ortodoncia y se adoptó para su uso en ortodoncia en la década de 1980. Este tipo de aleación reemplazó al acero inoxidable para ciertos usos, ya que el acero inoxidable había dominado la ortodoncia desde la década de 1960. Tiene relaciones de resistencia/módulo de elasticidad casi el doble de las del acero inoxidable austenítico 18-8, mayores deflexiones elásticas en los resortes y una fuerza reducida por unidad de desplazamiento 2,2 veces menor que la de los aparatos de acero inoxidable.
Microestructura de una pieza fabricada en aleación de titanio
La estructura cristalina del titanio a temperatura y presión ambiente es una fase α hexagonal compacta con una relación ac/a de 1,587. A unos 890 °C, el titanio sufre una transformación alotrópica a una fase β cúbica centrada en el cuerpo que permanece estable hasta la temperatura de fusión.
Las aleaciones de titanio permiten fabricar productos ligeros como navajas de bolsillo.
En general, el titanio en fase beta es la fase más dúctil y la fase alfa es más fuerte pero menos dúctil, debido a la mayor cantidad de planos de deslizamiento en la estructura bcc de la fase beta en comparación con la fase alfa hcp . El titanio en fase alfa-beta tiene una propiedad mecánica que se encuentra entre ambas.
El dióxido de titanio se disuelve en el metal a altas temperaturas y su formación es muy enérgica. Estos dos factores significan que todo el titanio, excepto el más cuidadosamente purificado, tiene una cantidad significativa de oxígeno disuelto y, por lo tanto, puede considerarse una aleación de Ti-O. Los precipitados de óxido ofrecen cierta resistencia (como se mencionó anteriormente), pero no responden muy bien al tratamiento térmico y pueden reducir sustancialmente la tenacidad de la aleación.
Muchas aleaciones también contienen titanio como aditivo menor, pero como las aleaciones suelen clasificarse según el elemento que constituye la mayor parte del material, no suelen considerarse "aleaciones de titanio" como tales. Consulte el subartículo sobre aplicaciones del titanio .
El titanio por sí solo es un metal fuerte y ligero. Es más fuerte que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45% más ligero. También es el doble de fuerte que las aleaciones débiles de aluminio, pero sólo un 60% más pesado. El titanio tiene una resistencia excepcional a la corrosión del agua de mar, y por ello se utiliza en ejes de hélice, aparejos y otras partes de los barcos que están expuestas al agua de mar. El titanio y sus aleaciones se utilizan en aviones, misiles y cohetes donde la fuerza, el bajo peso y la resistencia a altas temperaturas son importantes. [10] [11] [12] Además, dado que el titanio no reacciona dentro del cuerpo humano, él y sus aleaciones se utilizan en articulaciones artificiales, tornillos y placas para fracturas, y para otros implantes biológicos. Véase: Implantes ortopédicos de titanio .
Grados de titanio
Archivo:Productos de aleación de titanio
La norma internacional ASTM sobre tubos sin costura de titanio y aleaciones de titanio hace referencia a las siguientes aleaciones, que requieren el siguiente tratamiento:
"Las aleaciones pueden suministrarse en las siguientes condiciones: grados 5, 23, 24, 25, 29, 35 o 36 recocidos o envejecidos; grados 9, 18, 28 o 38 trabajados en frío y aliviados de tensiones o recocidos; grados 9, 18, 23, 28 o 29 en condición beta transformada; y grados 19, 20 o 21 tratados en solución o tratados en solución y envejecidos". [13]
"Nota 1: El material de grado H es idéntico al grado numérico correspondiente (es decir, Grado 2H = Grado 2) excepto por el UTS mínimo garantizado más alto , y siempre puede certificarse como que cumple con los requisitos de su grado numérico correspondiente. Los grados 2H, 7H, 16H y 26H están destinados principalmente para uso en recipientes a presión". [13]
"Los grados H se agregaron en respuesta a una solicitud de una asociación de usuarios basada en su estudio de más de 5200 informes de pruebas comerciales de Grado 2, 7, 16 y 26, donde más del 99 % cumplió con el UTS mínimo de 58 ksi ". [13]
Grado 1
Es la aleación de titanio más dúctil y blanda. Es una buena solución para el conformado en frío y los entornos corrosivos. La norma ASTM/ASME SB-265 proporciona los estándares para láminas y placas de titanio comercialmente puro. [14]
Grado 2
Titanio sin alear, oxígeno estándar.
Grado 2H
Titanio sin alear (grado 2 con UTS mínimo de 58 ksi).
Grado 3
Titanio sin alear, oxígeno medio.
Los grados 1 a 4 no están aleados y se consideran comercialmente puros o "CP". Generalmente, la resistencia a la tracción y a la fluencia aumentan con el número de grado para estos grados "puros". La diferencia en sus propiedades físicas se debe principalmente a la cantidad de elementos intersticiales . Se utilizan para aplicaciones de resistencia a la corrosión donde el costo, la facilidad de fabricación y la soldadura son importantes.
Grado 5 también conocido como Ti6Al4V , Ti-6Al-4V o Ti 6-4
Álabe de turbina fabricado en aleación de Ti
No debe confundirse con Ti-6Al-4V-ELI (Grado 23), es la aleación más comúnmente utilizada. Tiene una composición química de 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,25% (máximo) de hierro , 0,2% (máximo) de oxígeno y el resto titanio. [15] Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) mientras que tiene la misma rigidez y propiedades térmicas (excluyendo la conductividad térmica, que es aproximadamente un 60% menor en Ti de Grado 5 que en Ti CP). [16] Entre sus muchas ventajas, es tratable térmicamente. Este grado es una excelente combinación de fuerza, resistencia a la corrosión, soldadura y fabricabilidad.
"Esta aleación alfa-beta es la aleación de mayor rendimiento de la industria del titanio. Es totalmente tratable térmicamente en secciones de hasta 15 mm y se utiliza hasta aproximadamente 400 °C (750 °F). Dado que es la aleación más utilizada (más del 70 % de todos los grados de aleación fundidos son un subgrado de Ti6Al4V), sus usos abarcan muchos usos en componentes de motores y fuselajes aeroespaciales y también importantes aplicaciones no aeroespaciales en las industrias marina, de alta mar y de generación de energía en particular". [17]
" Aplicaciones : palas, discos, anillos, fuselajes, elementos de fijación, componentes, recipientes, carcasas, ejes, piezas forjadas, implantes biomédicos". [15]
Generalmente, el Ti-6Al-4V se utiliza en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg/m3 , un módulo de Young de 120 GPa y una resistencia a la tracción de 1000 MPa. [18] En comparación, el acero inoxidable tipo 316 recocido tiene una densidad de 8000 kg/m3 , un módulo de 193 GPa y una resistencia a la tracción de 570 MPa. [19] La aleación de aluminio 6061 templado tiene una densidad de 2700 kg/m3 , un módulo de 69 GPa y una resistencia a la tracción de 310 MPa, respectivamente. [20]
Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V incluyen: [21] [22]
Contiene un 5% de aluminio y un 2,5% de estaño. También se conoce como Ti-5Al-2,5Sn. Esta aleación se utiliza en fuselajes y motores a reacción debido a su buena soldabilidad, estabilidad y resistencia a temperaturas elevadas. [23]
Grado 7
Contiene entre 0,12 y 0,25 % de paladio . Este grado es similar al grado 2. La pequeña cantidad de paladio que se le agrega le otorga una mayor resistencia a la corrosión por grietas a bajas temperaturas y pH alto . [24]
Grado 7H
es idéntico al Grado 7 (Grado 7 con UTS mínimo de 58 ksi).
Grado 9
Contiene 3,0 % de aluminio y 2,5 % de vanadio. Este grado es un compromiso entre la facilidad de soldadura y fabricación de los grados "puros" y la alta resistencia del grado 5. Se utiliza comúnmente en tubos de aviación para sistemas hidráulicos y en equipamiento deportivo.
Grado 11
Contiene entre 0,12 y 0,25 % de paladio. Este grado tiene una resistencia a la corrosión mejorada. [25]
Grado 12
Contiene 0,3% de molibdeno y 0,8% de níquel. Esta aleación tiene una excelente soldabilidad. [25]
Grados 13 , 14 y 15
Todos contienen 0,5% de níquel y 0,05% de rutenio .
Grado 16
Contiene entre 0,04 y 0,08 % de paladio. Este grado tiene una resistencia a la corrosión mejorada. [26]
Grado 16H
es idéntico al Grado 16 (Grado 16 con UTS mínimo de 58 ksi).
Grado 17
Contiene entre 0,04 y 0,08 % de paladio. Este grado tiene una resistencia a la corrosión mejorada. [26]
Grado 18
Contiene un 3% de aluminio, un 2,5% de vanadio y entre un 0,04 y un 0,08% de paladio. Este grado es idéntico al grado 9 en cuanto a características mecánicas. El paladio añadido le confiere una mayor resistencia a la corrosión. [26]
Grado 19
contiene 3% de aluminio, 8% de vanadio, 6% de cromo, 4% de circonio y 4% de molibdeno.
Grado 20
contiene 3% de aluminio, 8% de vanadio, 6% de cromo, 4% de circonio, 4% de molibdeno y entre 0,04% y 0,08% de paladio.
Grado 21
contiene 15% de molibdeno, 3% de aluminio, 2,7% de niobio y 0,25% de silicio.
Grado 23 también conocido como Ti-6Al-4V-ELI o TAV-ELI
Disco espinal impreso en 3D a partir de aleación de titanio
contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,13% (máximo) de oxígeno. ELI significa Extra Low Interstitial. Los elementos intersticiales reducidos , oxígeno y hierro, mejoran la ductilidad y la tenacidad a la fractura con cierta reducción en la resistencia. [25] TAV-ELI es la aleación de titanio de grado de implante médico más comúnmente utilizada . [25] [27] Debido a su excelente biocompatibilidad, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga y bajo módulo de elasticidad , que se asemeja mucho al hueso humano, [28] TAV-ELI es la aleación de titanio de grado de implante médico más comúnmente utilizada. [29]
Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V-ELI incluyen: [27]
Números AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
ASTM: B265, B348, F136
MIL: T9046 T9047
Grado 24
Contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio y entre 0,04% y 0,08% de paladio.
Grado 25
contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio y entre 0,3% y 0,8% de níquel y entre 0,04% y 0,08% de paladio.
Grados 26 , 26H y 27
Un hexágono formado a partir de la soldadura por agitación térmica de una aleación de titanio.
Todos contienen entre 0,08 y 0,14% de rutenio.
Grado 28
contiene 3% de aluminio, 2,5% de vanadio y entre 0,08 y 0,14% de rutenio.
Grado 29
contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio y entre 0,08 y 0,14% de rutenio.
Grados 30 y 31
Contiene 0,3% de cobalto y 0,05% de paladio.
Grado 32
contiene 5% de aluminio, 1% de estaño, 1% de circonio, 1% de vanadio y 0,8% de molibdeno.
Grados 33 y 34
Contienen 0,4 % de níquel, 0,015 % de paladio, 0,025 % de rutenio y 0,15 % de cromo. Ambos grados son idénticos, salvo por una pequeña diferencia en el contenido de oxígeno y nitrógeno. [26] Estos grados contienen entre 6 y 25 veces menos paladio que el grado 7 y, por lo tanto, son menos costosos, pero ofrecen un rendimiento similar frente a la corrosión gracias al rutenio añadido. [30]
Grado 35
contiene 4,5% de aluminio, 2% de molibdeno, 1,6% de vanadio, 0,5% de hierro y 0,3% de silicio.
Grado 36
contiene 45% de niobio.
Grado 37
contiene 1,5% de aluminio.
Grado 38
Contiene 4% de aluminio, 2,5% de vanadio y 1,5% de hierro. Este grado se desarrolló en la década de 1990 para su uso como blindaje. El hierro reduce la cantidad de vanadio necesaria como estabilizador beta. Sus propiedades mecánicas son muy similares a las del grado 5, pero tiene una buena trabajabilidad en frío similar a la del grado 9. [31]
Tratamiento térmico
Aleación de titanio utilizada en la montura de las gafas de sol.
Las aleaciones de titanio se tratan térmicamente por diversas razones, siendo las principales aumentar la resistencia mediante el tratamiento de solución y el envejecimiento, así como optimizar propiedades especiales, como la tenacidad a la fractura, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fluencia a alta temperatura.
Las aleaciones alfa y casi alfa no se pueden modificar drásticamente mediante un tratamiento térmico. El alivio de tensiones y el recocido son los procesos que se pueden emplear para esta clase de aleaciones de titanio. Los ciclos de tratamiento térmico para aleaciones beta difieren significativamente de los de las aleaciones alfa y alfa-beta. Las aleaciones beta no solo se pueden aliviar de tensiones o recocer, sino que también se pueden tratar en solución y envejecer. Las aleaciones alfa-beta son aleaciones de dos fases, que comprenden tanto fases alfa como beta a temperatura ambiente. Las composiciones de fases, los tamaños y las distribuciones de fases en aleaciones alfa-beta se pueden manipular dentro de ciertos límites mediante un tratamiento térmico, lo que permite adaptar las propiedades.
Aleaciones alfa y casi alfa
La microestructura de las aleaciones alfa no se puede manipular con fuerza mediante tratamiento térmico, ya que no sufren cambios de fase significativos. Como resultado, no se puede lograr una alta resistencia para las aleaciones alfa mediante tratamiento térmico. Sin embargo, las aleaciones de titanio alfa y casi alfa se pueden aliviar de tensiones y recocer.
Aleaciones alfa-beta
Al trabajar con un tratamiento térmico adicional de las aleaciones alfa-beta por debajo o por encima de la temperatura de transición alfa-beta, se pueden lograr grandes cambios microestructurales. Esto puede dar lugar a un endurecimiento sustancial del material. El tratamiento de solución más el envejecimiento se utilizan para producir resistencias máximas en aleaciones alfa-beta. Además, también se practican otros tratamientos térmicos, incluidos los tratamientos térmicos de alivio de tensiones, para este grupo de aleaciones de titanio.
Aleaciones beta
En las aleaciones beta comerciales se pueden combinar tratamientos de alivio de tensiones y de envejecimiento.
Aplicaciones
Estructuras aeroespaciales
El titanio se utiliza habitualmente en la aviación por su resistencia a la corrosión y al calor, y por su elevada relación resistencia-peso. Las aleaciones de titanio son generalmente más resistentes que las de aluminio , aunque más ligeras que el acero . Se ha utilizado en los primeros programas Apolo y en el Proyecto Mercury . [32]
La aleación Ti-3Al-2.5V, que consta de un 3% de aluminio y un 2,5% de vanadio , fue diseñada para entornos de baja temperatura, manteniendo una alta tenacidad y ductilidad incluso en condiciones criogénicas en el espacio. [33] Se utiliza en componentes aeroespaciales como marcos de aeronaves y trenes de aterrizaje . [34]
Las aleaciones de titanio se han utilizado ocasionalmente en arquitectura.
Biomédica
Placa de titanio para muñeca.
Las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente para la fabricación de reemplazos de articulaciones ortopédicas de metal y cirugías de placas óseas. Normalmente se producen a partir de barras forjadas o fundidas mediante CNC , mecanizado impulsado por CAD o producción de pulvimetalurgia . Cada una de estas técnicas viene con ventajas y desventajas inherentes. Los productos forjados vienen con una gran pérdida de material durante el mecanizado en la forma final del producto y para las muestras fundidas, la adquisición de un producto en su forma final limita un poco el procesamiento y tratamiento posteriores (por ejemplo, endurecimiento por precipitación ), pero la fundición es más efectiva en cuanto al material. Los métodos tradicionales de pulvimetalurgia también son más eficientes en cuanto al material, pero la adquisición de productos completamente densos puede ser un problema común. [35]
Con la aparición de la fabricación de formas libres sólidas ( impresión 3D ), se ha hecho realidad la posibilidad de producir implantes biomédicos diseñados a medida (por ejemplo, articulaciones de cadera). Las pruebas muestran que es un 50% más fuerte que la siguiente aleación más fuerte de densidad similar utilizada en aplicaciones aeroespaciales. [36] Si bien no se aplica actualmente a mayor escala, los métodos de fabricación de forma libre ofrecen la capacidad de reciclar el polvo de desecho (del proceso de fabricación) y permiten adaptar de forma selectiva las propiedades deseables y, por lo tanto, el rendimiento del implante. La fusión por haz de electrones (EBM) y la fusión selectiva por láser (SLM) son dos métodos aplicables para la fabricación de forma libre de aleaciones de Ti. Los parámetros de fabricación influyen en gran medida en la microestructura del producto, donde, por ejemplo, una velocidad de enfriamiento rápida en combinación con un bajo grado de fusión en SLM conduce a la formación predominante de la fase alfa prima martensítica, lo que da como resultado un producto muy duro. [35]
Esta aleación tiene buena biocompatibilidad y no es ni citotóxica ni genotóxica. [37] El Ti-6Al-4V sufre de poca resistencia al corte y malas propiedades de desgaste superficial en ciertas condiciones de carga: [15]
Biocompatibilidad : Excelente, especialmente cuando se requiere contacto directo con tejido o hueso. La baja resistencia al corte del Ti-6Al-4V lo hace indeseable para tornillos o placas para huesos. También tiene malas propiedades de desgaste superficial y tiende a agarrotarse cuando entra en contacto deslizante consigo mismo y con otros metales. Los tratamientos de superficie como la nitruración y la oxidación pueden mejorar las propiedades de desgaste superficial. [15]
Esta aleación se desarrolló como un reemplazo biomédico para Ti-6Al-4V, porque Ti-6Al-4V contiene vanadio, un elemento que ha demostrado resultados citotóxicos cuando se aísla. [38] : 1 Ti-6Al-7Nb contiene 6% de aluminio y 7% de niobio. [38] : 18
El Ti6Al7Nb es una aleación de titanio de alta resistencia y excelente biocompatibilidad para implantes quirúrgicos. Se utiliza para reemplazos de cadera y se utiliza clínicamente desde principios de 1986. [39]
^ En un titanio o una aleación de titanio, la temperatura de transición alfa-beta es la temperatura por encima de la cual la fase beta se vuelve termodinámicamente favorable.
Fuentes
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