La metalurgia de polvos de titanio (P/M) ofrece la posibilidad de crear piezas con forma neta o casi neta sin la pérdida de material y el costo asociado con tener que mecanizar componentes complejos a partir de palanquilla forjada. Los polvos se pueden producir mediante la técnica de elementos mezclados o mediante prealeación y luego consolidación mediante moldeo por inyección de metal , prensado isostático en caliente , laminado directo del polvo o conformación de redes diseñadas con láser .
La técnica tradicional de producción de titanio es mediante el proceso Kroll , que implica la cloración del mineral de TiO 2 en presencia de carbono y la reacción del TiCl 4 resultante con magnesio para producir una esponja de titanio. Estos procesos tienen lugar a temperaturas de hasta 1040 °C. El tamaño de las partículas de esponja varía de 45 a 180 μm, y las partículas de aproximadamente 150 μm se denominan "finos de esponja". Estos finos tienen forma irregular y son porosos con una morfología similar a una esponja. [1] Los finos luego se mezclan con adiciones de aleaciones; Se compacta en frío hasta obtener un compacto verde a hasta 415 MPa y luego se sinteriza al vacío a 1260 °C para producir un componente con una densidad del 99,5 %. El prensado isostático en caliente (HIP) puede aumentar aún más la densidad de estas piezas y producir componentes de forma más económica que las piezas fundidas o forjadas, pero la porosidad presente en el material degrada las propiedades de fatiga y fractura. El enfoque BE se ha utilizado para producir válvulas para el Toyota Altezza, cabezas de palos de golf y bates de sóftbol. [2] Más recientemente, se han logrado piezas de Ti Grado 5 con una densidad cercana al 100 % utilizando un polvo hidrurado junto con una aleación maestra de Al:V 60:40. Las propiedades mecánicas se comparan bien con las de los productos fundidos y forjados. Se ha realizado una estimación de costos de menos de $3,00 para un enlace de conexión automotriz de 0,320 g.
Existen varias técnicas para producir polvo prealeado, como el Grado 5. En el proceso de hidruro-dehidruro, la materia prima, como chatarra sólida, palanquilla o virutas mecanizadas, se procesa para eliminar contaminantes, se hidrogena para producir material quebradizo y luego se muele bajo argón en una bola vibratoria. molino, típicamente a 400 °C durante 4 horas a una presión de 1 psi para Ti Grado 5. Las partículas resultantes son angulares y miden entre 50 y 300 μm. La compactación en frío después de la deshidrogenación del polvo, seguida de un prensado en caliente al vacío (en este caso, el proceso de deshidrogenación se puede evitar ya que el hidrógeno se elimina al vacío) o HIP y un recocido al vacío final, produce polvos con hidrógeno por debajo de 125 ppm. La posible presencia de contaminantes hace que estos polvos no sean adecuados para su uso en aplicaciones aeronáuticas críticas.
En el proceso de electrodo giratorio de plasma (PREP), la materia prima, como Ti Grado 5, tiene la forma de una barra giratoria que forma un arco con plasma de gas. El metal fundido se expulsa centrífugamente de la barra, se enfría y se recoge. Los polvos producidos son esféricos; Tiene un tamaño de entre 100 y 300 μm, con buenas características de empaquetamiento y flujo, lo que hace que el polvo sea ideal para formas casi netas de alta calidad producidas por HIP, como piezas de aviación y revestimientos porosos en prótesis de cadera.
En el proceso de atomización de gas de titanio (TGA), el titanio se funde por inducción al vacío en un crisol de cobre enfriado por agua, se golpea el metal y se atomiza la corriente de metal fundido con una corriente de gas inerte a alta presión. Las pequeñas gotas son esféricas y miden entre 50 y 350 μm. El proceso TGA se ha utilizado para producir una amplia variedad de materiales, como titanio comercialmente puro (CP), y aleaciones alfa-beta y beta convencionales. [3]
En el proceso de atomización por plasma (PA), un alambre de titanio se atomiza mediante 3 chorros de plasma de gas inerte para formar polvos metálicos esféricos. La distribución de diámetro obtenida en el proceso de PA oscila entre 0 y 200 μm y los polvos obtenidos son muy puros. El proceso PA se especializa en la producción de material fundido a alta temperatura como titanio (CP-Ti, Ti-6Al-4V), niobio, molibdeno, tantalio y muchos más. [3]
Se utilizan varias técnicas de consolidación de metales para producir el producto final. El moldeo por inyección de metal (MIM), también conocido como moldeo por inyección de polvo, es un método bien establecido y rentable para fabricar componentes metálicos de tamaño pequeño a moderado en grandes cantidades. Se deriva del método de moldeo por inyección de plástico, mediante el cual la mezcla de un polvo metálico con un aglutinante polimérico forma la materia prima, que luego se inyecta en un molde, después de lo cual el aglutinante se elimina mediante tratamiento térmico al vacío antes de la sinterización final. Sin embargo, con el titanio, los aglutinantes utilizados en MIM dan como resultado la introducción de carbono en la matriz debido a una eliminación insuficiente del aglutinante antes de la sinterización y/o reacciones nocivas entre el aglutinante en descomposición, la atmósfera de desunión y la fase metálica. Esto da como resultado piezas de titanio con propiedades mecánicas no adecuadas para aplicaciones aeroespaciales críticas, pero sí adecuadas para piezas donde las propiedades de tracción y de impacto son menos importantes. Recientemente, se ha llevado a cabo un trabajo para reducir el aglutinante a <8% de fracción en volumen, lo que da como resultado la eliminación completa del aglutinante del componente moldeado durante el tratamiento térmico.
En el proceso de laminación directa de polvo (DPR), el polvo BE se utiliza para producir láminas y placas y láminas y placas compuestas multicapa. Las láminas de entre 1,27 y 2,54 mm y de 50 a 99+% de densidad de titanio CP de una sola capa, Ti Grado 5, TiAl (Ti-48Al-2Cr-2Nb) y compuestos Ti/Grado 5/Ti y Grado 5/TiAl/Grado 5 tienen Ha sido producido por DPR y sinterización.
El modelado de redes con ingeniería láser (LENS) es una técnica de fabricación aditiva para fabricar, mejorar y reparar rápidamente componentes metálicos directamente a partir de datos CAD. Los procesos utilizan un láser de estado sólido de alta potencia enfocado sobre un sustrato metálico para crear un charco de fusión de aproximadamente 1 mm de diámetro. Luego se inyecta polvo de metal en el baño de fusión para aumentar el volumen del material y construir el componente capa por capa. Se han fabricado propulsores de gas experimentales (tiempo de construcción de 8 horas) y soportes para automóviles en Ti-Grade 5. La sinterización selectiva por láser (SLS) es similar, excepto que el láser fusiona selectivamente material en polvo mediante escaneo en la superficie de un lecho de polvo. Después de escanear cada sección transversal, el lecho de polvo desciende una capa de espesor, se aplica una nueva capa de material encima y el proceso se repite hasta que se completa la pieza.
En el prensado isostático en caliente se utilizan altas temperaturas y presiones para consolidar los polvos hasta acercarse a sus densidades teóricas máximas.
La sinterización asistida por corriente eléctrica, también conocida como sinterización por plasma por chispa (SPS), se basa en la aplicación rápida de calentamiento resistivo y presión para consolidar los polvos cerca de sus densidades teóricas máximas, sin el efecto de crecimiento de grano no deseado, manteniendo así un tamaño de grano cercano al original y logrando mejoras. propiedades mecánicas en el producto final.
Se está avanzando en el trabajo para evitar la ruta convencional de atomización de materia prima o esponja forjada y el costo inherente asociado con el proceso tradicional de Kroll. Varios de estos procesos, como los de FFC, MER Corporation, OS, Ginatta y BHP Billiton, se basan en la reducción electrolítica de TiO 2 (un material barato y abundante) para formar Ti metal. Hasta el momento, ningún material procedente de estos procesos se ha vendido comercialmente en el mercado abierto y los modelos de costes aún no se han publicado, pero ofrecen la posibilidad de obtener polvo de titanio económico en un futuro próximo. Los países que cuentan con instalaciones de este tipo para generar esponja de titanio son Arabia Saudita, China, Japón, Rusia, Kazajstán, Estados Unidos, Ucrania e India. La planta de esponjas de titanio en la India es la única en el mundo que puede llevar a cabo todas las diferentes actividades de fabricación de esponjas de titanio de grado aeroespacial bajo un mismo techo. [4] [5]