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 , típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía dramáticamente con la temperatura, lo que le permite sufrir fortalecimiento por precipitación . Este proceso de tratamiento térmico se lleva a cabo después de que la aleación haya adquirido su forma final, pero antes de su uso, lo que permite una fabricación mucho más sencilla de un producto de alta resistencia.
Categorías
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. Estos no son tratables térmicamente. Los ejemplos incluyen: [2] Ti-5Al-2Sn-ELI, Ti-8Al-1Mo-1V.
Las aleaciones casi alfa contienen una pequeña cantidad de fase beta dúctil . Además de los estabilizadores de fase alfa, las aleaciones casi alfa se alean con entre un 1% y un 2% de estabilizadores de fase beta como molibdeno , silicio o vanadio. Los ejemplos incluyen: [2] Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo, IMI 685, Ti 1100.
Aleaciones alfa y beta, que son metaestables y generalmente incluyen alguna combinación de estabilizadores alfa y beta, y que pueden tratarse térmicamente. Los 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 apagan , y que también pueden tratarse con solución y envejecerse para mejorar la resistencia. Los 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 conformabilidad y pueden soldarse fácilmente. [5]
El titanio beta se utiliza hoy en día ampliamente en el campo de la ortodoncia y fue adoptado para su uso en la 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 resistencia/módulo de elasticidad casi el doble que las del acero inoxidable austenítico 18-8, mayores deflexiones elásticas en los resortes y fuerza reducida por unidad de desplazamiento 2,2 veces menor que la de los electrodomésticos de acero inoxidable.
La estructura cristalina del titanio a temperatura y presión ambiente es una fase α hexagonal muy compacta con una relación ac/a de 1,587. Aproximadamente a 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.
Generalmente, 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 analizó anteriormente), pero no responden mucho al tratamiento térmico y pueden disminuir sustancialmente la tenacidad de la aleación.
Muchas aleaciones también contienen titanio como aditivo menor, pero dado que las aleaciones generalmente se clasifican según el elemento que forma la mayor parte del material, generalmente no se consideran "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 resistente que los aceros comunes con bajo contenido de carbono, pero un 45 % más ligero. También es dos veces más resistente que las aleaciones de aluminio débiles, pero sólo un 60% más pesado. El titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión del agua de mar y, por lo tanto, se utiliza en ejes de hélice, aparejos y otras partes de embarcaciones 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. [9] [10] [11] 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. Ver: Implantes ortopédicos de titanio .
Grados de titanio
La norma ASTM International sobre tuberías sin costura de titanio y aleaciones de titanio hace referencia a las siguientes aleaciones, que requieren el siguiente tratamiento:
"Las aleaciones podrán suministrarse en las siguientes condiciones: Grados 5, 23, 24, 25, 29, 35 ó 36 recocidos o envejecidos; Grados 9, 18, 28 ó 38 trabajados en frío y sin tensiones o recocidos; Grados 9 , 18, 23, 28 o 29 condición beta transformada; y grados 19, 20 o 21 tratados con solución o tratados con solución y envejecidos". [12]
"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 se puede certificar que cumple con los requisitos de su grado numérico correspondiente. Grados 2H, 7H, 16H y 26H están destinados principalmente para uso en recipientes a presión". [12]
"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 ". [12]
Grado 1
Es la aleación de titanio más dúctil y blanda. Es una buena solución para ambientes corrosivos y conformados en frío. ASTM/ASME SB-265 proporciona los estándares para láminas y placas de titanio comercialmente puro. [13]
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, el límite elástico y de tracción aumenta 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
No confundir con Ti-6Al-4V-ELI (Grado 23), es la aleación más 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. [14] Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) y al mismo tiempo tiene la misma rigidez y propiedades térmicas (excluyendo la conductividad térmica, que es aproximadamente un 60% menor en Ti de grado 5 que en CP Ti). [15] 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 el caballo de batalla de la industria del titanio. La aleación es totalmente tratable térmicamente en tamaños de sección de hasta 15 mm y se utiliza hasta aproximadamente 400 °C (750 °F). Dado que es la aleación más comúnmente utilizada aleación: más del 70% de todos los grados de aleaciones fundidas son un subgrado de Ti6Al4V, sus usos abarcan muchos usos de componentes de motores y estructuras de aviones aeroespaciales y también importantes aplicaciones no aeroespaciales en las industrias marina, offshore y de generación de energía en particular". [dieciséis]
Generalmente, Ti-6Al-4V se utiliza en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg/m 3 , un módulo de Young de 120 GPa y una resistencia a la tracción de 1000 MPa. [17] En comparación, el acero inoxidable recocido tipo 316 tiene una densidad de 8000 kg/m 3 , un módulo de 193 GPa y una resistencia a la tracción de 570 MPa. [18] La aleación de aluminio templado 6061 tiene una densidad de 2700 kg/m 3 , un módulo de 69 GPa y una resistencia a la tracción de 310 MPa, respectivamente. [19]
Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V incluyen: [20] [21]
Contiene 5% de aluminio y 2,5% de estaño. También se le conoce como Ti-5Al-2.5Sn. Esta aleación se utiliza en estructuras de aviones y motores a reacción debido a su buena soldabilidad, estabilidad y resistencia a temperaturas elevadas. [22]
Grado 7
Contiene de 0,12 a 0,25% de paladio . Este grado es similar al Grado 2. La pequeña cantidad de paladio agregada le otorga una mayor resistencia a la corrosión en grietas a bajas temperaturas y alto pH . [23]
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 usa comúnmente en tuberías de aviones para sistemas hidráulicos y en equipos deportivos.
Grado 11
Contiene entre 0,12 y 0,25% de paladio. Este grado tiene una mayor resistencia a la corrosión. [24]
Grado 12
Contiene 0,3% de molibdeno y 0,8% de níquel. Esta aleación tiene una excelente soldabilidad. [24]
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 mayor resistencia a la corrosión. [25]
Grado 16H
es idéntico al Grado 16 (Grado 16 con 58 ksi UTS mínimo).
Grado 17
Contiene entre 0,04 y 0,08% de paladio. Este grado tiene una mayor resistencia a la corrosión. [25]
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 términos de características mecánicas. El paladio añadido le confiere una mayor resistencia a la corrosión. [25]
contiene 3% aluminio, 8% vanadio, 6% cromo, 4% circonio, 4% molibdeno y entre 0,04% y 0,08% 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
Contiene 6% aluminio, 4% vanadio, 0,13% (máximo) oxígeno. ELI significa Intersticial Extra Bajo. Los elementos intersticiales reducidos , oxígeno y hierro, mejoran la ductilidad y la tenacidad a la fractura con cierta reducción de la resistencia. [24] TAV-ELI es la aleación de titanio de calidad para implantes médicos más utilizada . [24] [26]
Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V-ELI incluyen: [26]
AM: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
ASTM: B265, B348, F136
MIL: T9046 T9047
Grado 24
Contiene un 6% de aluminio, un 4% de vanadio y entre un 0,04% y un 0,08% de paladio.
Grado 25
Contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,3% a 0,8% de níquel y 0,04% a 0,08% de paladio.
Grados 26 , 26H y 27
todos contienen entre 0,08 y 0,14% de rutenio.
Grado 28
Contiene un 3% de aluminio, un 2,5% de vanadio y entre un 0,08 y un 0,14% de rutenio.
Grado 29
Contiene un 6% de aluminio, un 4% de vanadio y entre un 0,08 y un 0,14% de rutenio.
Contiene 0,4% de níquel, 0,015% de paladio, 0,025% de rutenio y 0,15% de cromo. Ambos grados son idénticos pero con pequeñas diferencias en el contenido de oxígeno y nitrógeno. [25] Estos grados contienen de 6 a 25 veces menos paladio que el Grado 7 y, por lo tanto, son menos costosos, pero ofrecen un rendimiento similar a la corrosión gracias al rutenio añadido. [27]
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. [28]
Tratamiento térmico
Las aleaciones de titanio se tratan térmicamente por varias razones, siendo las principales aumentar la resistencia mediante tratamiento con solución y 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 pueden modificarse drásticamente mediante 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 de las aleaciones beta difieren significativamente de los de las aleaciones alfa y alfa-beta. Las aleaciones beta no sólo se pueden aliviar de tensiones o recocer, sino que también se pueden tratar con solución y envejecer. Las aleaciones alfa-beta son aleaciones de dos fases, que comprenden fases alfa y beta a temperatura ambiente. Las composiciones de fases, los tamaños y las distribuciones de fases en aleaciones alfa-beta pueden manipularse dentro de ciertos límites mediante tratamiento térmico, lo que permite adaptar las propiedades.
Aleaciones alfa y casi alfa
La microestructura de las aleaciones alfa no puede manipularse fuertemente mediante tratamiento térmico ya que las aleaciones alfa no experimentan cambios de fase significativos. Como resultado, no se puede adquirir una alta resistencia para las aleaciones alfa mediante tratamiento térmico. Sin embargo, las aleaciones de titanio alfa y casi alfa pueden aliviarse de tensiones y recocerse.
Aleaciones alfa-beta
Al trabajar tan bien como el tratamiento térmico de aleaciones alfa-beta por debajo o por encima de la temperatura de transición alfa-beta, se pueden lograr grandes cambios microestructurales. Esto puede provocar un endurecimiento sustancial del material. El tratamiento con solución más envejecimiento se utiliza para producir resistencias máximas en aleaciones alfa-beta. Además, para este grupo de aleaciones de titanio también se practican otros tratamientos térmicos, incluidos tratamientos térmicos para aliviar tensiones.
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 alta relación resistencia-peso. Las aleaciones de titanio son generalmente más resistentes que las aleaciones de aluminio, aunque más ligeras que el acero.
Biomédico
Placa de titanio para muñeca.
Las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente para la fabricación de reemplazos metálicos de articulaciones ortopédicas y cirugías de placas óseas. Normalmente se producen a partir de barras forjadas o fundidas mediante mecanizado CNC , CAD o producción de pulvimetalurgia . Cada una de estas técnicas tiene ventajas y desventajas inherentes. Los productos forjados conllevan una gran pérdida de material durante el mecanizado hasta darle la forma final del producto y, en el caso de las muestras fundidas, la adquisición de un producto en su forma final limita en cierta medida el procesamiento y tratamiento posteriores (por ejemplo, endurecimiento por precipitación ), pero la fundición es más eficaz en términos de material. Los métodos tradicionales de pulvimetalurgia también son más eficientes en cuanto a materiales, aunque adquirir productos completamente densos puede ser un problema común. [29]
Con la aparición de la fabricación sólida de forma libre ( impresión 3D ), se ha hecho realidad la posibilidad de producir implantes biomédicos diseñados a medida (por ejemplo, articulaciones de cadera). Si bien actualmente no se aplica a mayor escala, los métodos de fabricación de forma libre ofrecen la capacidad de reciclar el polvo residual (del proceso de fabricación) y permiten adaptar la selectividad a las propiedades deseables y, por tanto, al 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 aleaciones de Ti de forma libre. 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 fase alfa-prima martensítica, dando un producto muy duro. [29]
Esta aleación tiene buena biocompatibilidad y no es citotóxica ni genotóxica. [30] Ti-6Al-4V adolece de poca resistencia al corte y malas propiedades de desgaste superficial en ciertas condiciones de carga: [14]
Biocompatibilidad : Excelente, especialmente cuando se requiere contacto directo con tejido o hueso. La escasa resistencia al corte del Ti-6Al-4V lo hace indeseable para placas o tornillos óseos. También tiene malas propiedades de desgaste superficial y tiende a agarrotarse cuando entra en contacto deslizante con él mismo y con otros metales. Los tratamientos superficiales como la nitruración y la oxidación pueden mejorar las propiedades de desgaste de la superficie. [14]
Esta aleación se desarrolló como un reemplazo biomédico del Ti-6Al-4V, porque el Ti-6Al-4V contiene vanadio, un elemento que ha demostrado resultados citotóxicos cuando se aísla. [31] : 1 Ti-6Al-7Nb contiene 6% de aluminio y 7% de niobio. [31] : 18
Ti6Al7Nb es una aleación de titanio de alta resistencia con excelente biocompatibilidad para implantes quirúrgicos. Utilizado para el reemplazo de articulaciones de la cadera, ha estado en uso clínico desde principios de 1986. [32]
Referencias
Notas
^ En un titanio o una aleación de titanio, la temperatura de transición alfa a beta es la temperatura por encima de la cual la fase beta se vuelve termodinámicamente favorable.
Fuentes
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con las aleaciones a base de titanio .
