Aleaciones de titanio en polvo es un material de ingeniería versátil con propiedades únicas que lo hacen adecuado para aplicaciones avanzadas en todos los sectores. Este artículo ofrece una visión general de la pulvimetalurgia de las aleaciones de titanio, los métodos de fabricación, las composiciones, las propiedades mecánicas y físicas, las aplicaciones, las especificaciones, los precios, las ventajas e inconvenientes y las preguntas más frecuentes.
Métodos de fabricación de aleaciones de titanio en polvo
El polvo de aleaciones de titanio puede producirse mediante diversos métodos que influyen en las características del polvo, como la distribución del tamaño de las partículas, la morfología y los niveles de pureza, entre otros. Las principales vías de fabricación son:
| Método | Descripción | Características típicas del polvo |
|---|---|---|
| Atomización de gases | Corriente de aleación líquida desintegrada por chorros de gas a alta presión en finas gotitas que se solidifican en polvo. | Morfología esférica, tamaños de partícula de medios a finos (15-180 μm), composiciones de aleación a medida, alta pureza. |
| Proceso de electrodos rotativos de plasma (PREP) | Punta del electrodo fundida por el arco de plasma, la fuerza centrífuga forma microgotas que se solidifican en polvo | Partículas esferoidales, polvo muy fino (25-75 μm), pureza media, amplias opciones de aleación. |
| Hidruro-Dehidruro (HDH) | El proceso de formación y descomposición de hidruros de aleación produce polvo grueso poroso | Morfología irregular, gran tamaño de partícula (75-250 μm), pureza media-alta, aleaciones limitadas. |
Cada método de producción da como resultado un polvo de aleaciones de titanio con características distintas que se adaptan a diferentes aplicaciones industriales.
Aleaciones de titanio Composiciones en polvo
El polvo de aleaciones de titanio para metalurgia consiste en titanio mezclado principalmente con aluminio y vanadio, con trazas de hierro, oxígeno, carbono y nitrógeno. Las formulaciones más comunes de aleaciones de titanio por porcentaje en masa incluyen:
| Aleación | Aluminio | Vanadio | Otros elementos |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V (Grado 5) | 5.5-6.75% | 3.5-4.5% | Hierro ≤ 0,3%, Oxígeno ≤ 0,2%, Carbono ≤ 0,1%, Nitrógeno ≤ 0,05% |
| Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitial, Grado 23) | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | Hierro ≤ 0,3%, Oxígeno ≤ 0,13%, Carbono ≤ 0,08%, Nitrógeno ≤ 0,05% |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 2.5-3.5% | 9-11% | Hierro 1,8-2,2%, Oxígeno ≤ 0,2%, Carbono ≤ 0,1%, Nitrógeno ≤ 0,05% |
La química del polvo de las aleaciones de titanio puede adaptarse para optimizar los perfiles de rendimiento, desde la resistencia y la dureza hasta la resistencia a la corrosión, la biocompatibilidad, la resistencia a altas temperaturas, el ahorro de peso y otras prioridades en función del uso final.
Aleaciones de titanio en polvo Propiedades
Entre las propiedades clave del polvo de aleaciones de titanio valoradas en las aplicaciones se incluyen:
| Propiedad | Ti-6Al-4V | Ti-6Al-4V ELI | Ti-10V-2Fe-3Al |
|---|---|---|---|
| Densidad (g/cm3) | 4.42 | 4.42 | 4.35 |
| Punto de fusión (°C) | 1604-1660 | 1604-1660 | 1590-1650 |
| Resistencia a la tracción (MPa) | 860-1200 | 860-1050 | 900-1150 |
| Límite elástico (MPa) | 750-1100 | 760-960 | 800-1050 |
| Alargamiento a la rotura (%) | 8-15 | 8-12 | 7-14 |
| Módulo elástico (GPa) | 100-115 | 95-115 | 90-110 |
| Dureza (HRC) | 30-38 | 32-36 | 30-40 |
Las aleaciones de titanio en polvo ofrecen un perfil de propiedades avanzado que combina la ligereza del titanio con una elevada relación resistencia-peso, tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga y a la corrosión adecuadas para aplicaciones críticas.
Aleaciones de titanio Aplicaciones del polvo
Su ligereza, biocompatibilidad y resistencia a entornos extremos hacen de las aleaciones de titanio una opción versátil en todos los mercados. Las aplicaciones típicas son:
| Industria | Aplicaciones |
| Aeroespacial | Motores y componentes estructurales de aeronaves, estructuras de vehículos espaciales, cohetes |
| Médico | Implantes ortopédicos y dentales, instrumentos quirúrgicos, prótesis |
| Automoción | Válvulas, bielas, muelles, elementos de fijación, componentes de escape |
| Química | Bombas, válvulas, tuberías, depósitos, recipientes de reacción resistentes a la corrosión |
| Generación de energía | Palas de turbinas de vapor y gas, componentes de plataformas marinas |
| Artículos deportivos | Palos de golf, raquetas de tenis, bicicletas y otros equipos de alto rendimiento |
| Petróleo y gas | Tubos de fondo de pozo, plataformas marinas, componentes de cabezal de pozo |
Estos exigentes entornos en todos los sectores aprovechan las propiedades de las aleaciones de titanio, como la elevada relación resistencia-peso, la resistencia a la fatiga, la tenacidad a la fractura, la resistencia a la corrosión y la biocompatibilidad.
Especificaciones del polvo de aleaciones de titanio
Los polvos de aleaciones de titanio se producen con especificaciones estandarizadas en cuanto a química, distribución del tamaño de las partículas, morfología y otros parámetros adaptados a las necesidades de fabricación aditiva o de prensado y sinterización.
| Parámetro | Especificación |
|---|---|
| Grado de aleación | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-10V-2Fe-3Al, otros grados |
| Forma de las partículas | Formas esféricas e irregulares |
| Gama de tamaños de partículas (μm) | 15-45, 45-100, 100-180 preferido para AM |
| Caudal Hall (s/50g) | >32 segundos, lo que indica una buena fluidez del polvo |
| Densidad aparente (g/cm3) | 2,7-3,2 para polvo esférico, 2,2-2,8 para polvo irregular |
| Densidad del grifo (g/cm3) | >4,0, mejora la eficacia del envasado |
Cumplir los ensayos químicos dentro de los límites permitidos de oxígeno, nitrógeno, carbono, hierro y otros oligoelementos es fundamental para obtener un polvo de alto rendimiento. Estas especificaciones permiten la idoneidad del procesamiento mediante técnicas AM o de prensado y sinterización.
Aleaciones de titanio Comparación de polvos
Las variantes de polvo de aleaciones de titanio más utilizadas -las calidades Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI y Ti-10V-2Fe-3Al- presentan distintas ventajas en cuanto a propiedades:
| Ti-6Al-4V | Ti-6Al-4V ELI | Ti-10V-2Fe-3Al | |
|---|---|---|---|
| Fuerza | Alta resistencia | Resistencia ligeramente inferior pero mejor ductilidad | Resistencia comparable a la del Ti-6Al-4V |
| Soldabilidad | Moderado | Excelente | Mejor que Ti-6Al-4V |
| Resistencia a la corrosión | Moderado | Mejor, para aplicaciones sensibles | Resistencia superior a la corrosión |
| Coste | Precio moderado | Ligero sobrecoste | Menor coste que las aleaciones Ti-6Al-4V |
| Biocompatibilidad | Excelente | Superior para implantes corporales | Menos preferido para productos sanitarios |
El polvo de grado Ti-6Al-4V ELI destaca por su ductilidad, soldabilidad, biocompatibilidad y resistencia a la corrosión, pero cuesta más, mientras que el Ti-10V-2Fe-3Al sobresale en resistencia a la corrosión a menor precio, pero pierde en idoneidad biomédica en comparación con las aleaciones de grado 5 y 23.
Precios del polvo de aleaciones de titanio
El polvo de aleaciones de titanio tiene un precio muy superior al del polvo de acero debido a la intensidad de su procesamiento y a sus propiedades únicas:
| Grado de polvo | Gama de precios (USD por kg) |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | 120 – 160 |
| Ti-6Al-4V ELI | 135 – 185 |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 100 – 165 |
El coste depende del método de fabricación, la química, la distribución de tamaños, la forma y las cantidades pedidas. El polvo irregular puede ser más barato que el esférico. También se aplican sobreprecios por el envasado en argón o al vacío. Los descuentos por volumen también reducen el precio por kilo.
Aleaciones de titanio en polvo Ventajas e inconvenientes
| Pros | Contras | |
|---|---|---|
| Propiedades mecánicas | Alta relación resistencia-peso, fuerte pero ligero | Resistencia inferior a la de algunas aleaciones de acero |
| Propiedades físicas | Resistente a la corrosión, biocompatible, no magnético, conductor térmico | Alta reactividad con elementos como el oxígeno que requiere manipulación inerte |
| Tratamiento | Idoneidad para múltiples técnicas de AM, capacidad de tratamiento térmico | El polvo esférico es más caro de fabricar que los aceros |
| Rendimiento | Mayor resistencia a la fractura, a la fatiga y al desgaste | Puede sufrir fragilización por hidrógeno, tendencias a la rozadura |
| Economía | Gran oportunidad de ahorrar peso | Mayor coste del material que las alternativas de acero |
Las aleaciones de titanio en polvo mejoran el rendimiento, pero a un coste mayor. Superan a los aceros en resistencia específica y resistencia ambiental, pero se quedan atrás en resistencia absoluta y métricas de coste. Algunas aleaciones de titanio también pueden verse afectadas por una menor resistencia a la fatiga, la absorción de hidrógeno y la abrasión.
PREGUNTAS FRECUENTES
| Pregunta | Respuesta |
|---|---|
| ¿Cuáles son las principales aleaciones de titanio disponibles en forma de polvo? | Los polvos de aleaciones de titanio más utilizados son Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI y Ti-10V-2Fe-3Al, que se fabrican en distribuciones de tamaño de partícula y composiciones comunes listas para AM. También son posibles aleaciones personalizadas. |
| ¿Qué rango de tamaño de partícula funciona mejor para la AM en lecho de polvo de aleaciones de titanio? | El tamaño óptimo de las partículas oscila entre 15 y 100 micras, con un tamaño medio de 30 a 60 micras. Un tamaño demasiado fino puede dificultar la manipulación y distribución del polvo. Demasiado grueso puede dar lugar a piezas menos densas. |
| ¿Cómo se almacena y manipula el polvo de aleaciones de titanio? | La purga con gas inerte y la exposición mínima al aire son fundamentales para evitar la captación de oxígeno que puede alterar la química de las aleaciones. Los contenedores sellados al vacío y las cajas de guantes llenas de argón permiten almacenar y manipular el polvo con eficacia. |
| ¿Qué tratamiento posterior se aplica a las piezas de titanio AM? | Los tratamientos térmicos como el prensado isostático en caliente y el recocido pueden ayudar a mejorar las mecánicas. Las fases de acabado superficial pueden incluir mecanizado CNC, taladrado, esmerilado y pulido. El granallado también se utiliza para inducir tensiones de compresión. |
| ¿Son reciclables las aleaciones de titanio tras la fabricación aditiva? | Sí, el polvo de titanio usado puede recuperarse, tamizarse y mezclarse con polvo virgen para su reutilización. En algunas aleaciones de titanio se alcanzan índices de rendimiento de reciclado superiores a 90%, lo que supone un importante ahorro de costes. |
Conclusiones
Con propiedades como una alta resistencia específica, a la fatiga y a la corrosión, los polvos de aleaciones de titanio permiten fabricar piezas más ligeras y duraderas para aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción, energéticas y otras aplicaciones exigentes. Los avances en la pulvimetalurgia del titanio están ampliando su adopción mediante polvos optimizados adaptados a las técnicas de AM.
Los principales grados de titanio Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI y Ti-10V-2Fe-3Al equilibran propiedades como resistencia, ductilidad, tenacidad, soldabilidad, biocompatibilidad y resistencia química a precios atractivos. El continuo desarrollo de las aleaciones de titanio y los avances en las capacidades de AM de metales acelerarán la utilización del polvo de titanio para componentes de misión crítica.
