Visión general
Titanio Aleaciones de aluminio son una clase de materiales metálicos que contienen una mezcla de titanio y aluminio. Son ligeros, tienen una gran resistencia y una excelente resistencia a la corrosión y la oxidación a altas temperaturas.
Las aleaciones de TiAl se consideran un importante material estructural de alta temperatura para aplicaciones aeroespaciales y de automoción debido a su combinación única de propiedades. Su baja densidad las hace más ligeras que las superaleaciones con base de níquel, al tiempo que conservan su resistencia y estabilidad a temperaturas de hasta 750 °C.
Propiedades clave de Titanio Aleaciones de aluminio
| Propiedad | Descripción |
|---|---|
| Densidad | 3,7 - 4,1 g/cm3, muy inferior a las aleaciones de níquel |
| Fuerza | Mantienen una alta resistencia a temperaturas de hasta 750°C |
| Rigidez | Módulo elástico elevado de unos 160 GPa |
| Ductilidad | Quebradizo a temperatura ambiente, pero se vuelve más dúctil a altas temperaturas |
| Resistencia a la corrosión | Excelente resistencia a la corrosión gracias a la presencia de titanio |
| Resistencia a la oxidación | Forma una capa protectora de óxido que proporciona una buena resistencia a la oxidación hasta 750°C |
| Coste | Más caras que las aleaciones de titanio pero más baratas que las de níquel |
Tipos de aleaciones de titanio y aluminio
Existen dos tipos principales de aleaciones de titanio y aluminio:
Aleaciones Gamma TiAl
Las aleaciones Gamma TiAl tienen una microestructura laminar y contienen aproximadamente 45-48% de titanio y el resto de aluminio. También se realizan pequeñas adiciones de elementos como niobio, carbono, boro y cromo para mejorar las propiedades.
Las aleaciones TiAl de fase gamma ofrecen un buen equilibrio entre baja densidad, resistencia, ductilidad y resistencia a la oxidación. Son las aleaciones de TiAl más utilizadas.
Aleaciones Alfa-2 Ti3Al
Las aleaciones alfa-2 Ti3Al contienen aproximadamente 25% de aluminio y tienen una estructura cristalina hexagonal. Ofrecen una resistencia a la tracción muy elevada, pero su ductilidad y tenacidad a la fractura son inferiores a las de las aleaciones TiAl gamma.
Las aleaciones Alpha-2 se utilizan normalmente en aplicaciones de muy alta temperatura, por encima de 800°C, como en turbocompresores.
Composición de Titanio Aleaciones de aluminio
Las aleaciones de titanio y aluminio contienen titanio como componente principal, con aluminio y pequeñas cantidades de otros elementos. Este es el rango de composición típico:
| Elemento de aleación | Gama de composición | Papel |
|---|---|---|
| Titanio (Ti) | 52-56% | Elemento básico primario |
| Aluminio (Al) | 44-48% | Principal elemento de aleación con Ti |
| Niobio (Nb) | Hasta 2% | Aumenta la fuerza y la resistencia a la fluencia |
| Cromo (Cr) | Hasta 2% | Aumenta la resistencia a la oxidación |
| Boro (B) | Hasta 0,2% | Mejora la ductilidad |
| Carbono (C) | Hasta 0,1% | Aumenta la fuerza |
| Silicio (Si) | 0.1-1% | Mejora la resistencia a la oxidación |
| Tungsteno (W) | 0.1-1% | Refina el tamaño del grano |
| Molibdeno (Mo) | 0.1-1% | Aumenta la fuerza |
Los porcentajes de elementos de aleación se controlan con precisión para conseguir la microestructura y las propiedades adecuadas en la aleación.
Propiedades clave de las aleaciones de titanio y aluminio
Propiedades de resistencia de la aleación de titanio y aluminio
| Propiedad | Valor | Descripción |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | 500 - 1100 MPa | Resistencia muy elevada en comparación con las aleaciones de titanio |
| Límite elástico (0,2% offset) | 400 - 1000 MPa | Medida de la resistencia elástica en aleación |
| Resistencia a la compresión | 600 - 1500 MPa | Excelente resistencia a la compresión |
| Resistencia a la fluencia | 100 - 350 MPa | Capacidad para soportar cargas a altas temperaturas |
| Resistencia a la fractura | 15 - 35 MPa√m | La resistencia a la propagación de grietas es inferior a la de las aleaciones de níquel |
Propiedades físicas
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Densidad | 3,7 - 4,1 g/cm3 |
| Punto de fusión | 1360°C - 1460°C |
| Conductividad térmica | 6 - 25 W/mK |
| Resistividad eléctrica | 150 - 250 μΩ.cm |
| Coeficiente de dilatación térmica | 11 - 13 x 10-6 /K |
Propiedades mecánicas a temperatura ambiente
| Propiedad | Valor | Descripción |
|---|---|---|
| Dureza | 300 - 400 HV | Medida de la resistencia a la indentación |
| Módulo de Young | 150 - 160 GPa | Medida de la rigidez |
| Módulo de cizallamiento | 60 - 65 GPa | Medida de rigidez |
| Relación de Poisson | 0.25 – 0.34 | Relación entre la deformación en las direcciones perpendicular y paralela a la carga aplicada |
| Maquinabilidad | Difícil | Difícil de mecanizar en comparación con los aceros |
Aplicaciones y usos de Titanio Aleaciones de aluminio
Las aleaciones de titanio y aluminio se utilizan en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento. Algunos usos clave son:
Usos en la industria aeroespacial
- Componentes de motores aeronáuticos como álabes, discos, carenados de entrada de aire
- Estructuras del fuselaje y las alas en aviones de alta velocidad
- Piezas de vehículos espaciales gracias a la combinación de bajo peso y resistencia a la temperatura
Usos en la industria del automóvil
- Ruedas y carcasas de turbinas de turbocompresores
- Bielas, válvulas, muelles y tornillería en motores de alto rendimiento
- Componentes para deportes de motor, como bielas y válvulas
Otras aplicaciones
- Piezas de motores de turbina de gas, generación de energía y aplicaciones marinas
- Implantes biomédicos como articulaciones artificiales de cadera
- Artículos deportivos como cuadros de bicicleta, palos de golf
He aquí una comparación del uso de aleaciones de titanio y aluminio frente a otras alternativas:
| Aplicación | Aleaciones TiAl | Materiales alternativos |
|---|---|---|
| Motores de avión | ✅ Su excelente relación resistencia/peso hasta 750°C lo hace adecuado para álabes, paletas y ejes. | Las superaleaciones de níquel son más resistentes a la temperatura, pero más pesadas. |
| Turbocompresores de automoción | ✅ Buen equilibrio entre alta resistencia, resistencia a la temperatura y menor densidad que las aleaciones de níquel. | Las aleaciones de níquel soportan picos de temperatura más elevados |
| Aeronaves | ✅ 20-35% más ligero que las aleaciones de titanio con resistencia equivalente para alas, colas y fuselaje de aviones. | Las aleaciones de titanio ofrecen mayor resistencia a la fractura |
| Implantes biomédicos | ✅ Contiene titanio que permite una unión natural con el hueso humano | Acero inoxidable, aleaciones de cobalto y cromo también de uso común |
Normas y especificaciones del sector
Algunas normas industriales ampliamente utilizadas para las aleaciones de titanio y aluminio son:
| Estándar | Descripción |
|---|---|
| AMS 4928 | Especificación estándar para chapas, tiras y placas de aleación de aluminuro de titanio gamma |
| AMS 4965 | Norma para aleaciones de aluminuro de titanio gamma procesadas por pulvimetalurgia |
| AMS 4972 | Especificación normalizada para barras, alambrón y alambre de aluminuros de titanio alfa-beta o beta |
| ISO 21365 | Especificación para aleaciones estructurales gamma TiAl |
| ASTM B381 | Clasificación estándar de las aleaciones de titanio-aluminio-vanadio para implantes quirúrgicos |
Los productos de aleación se ofrecen en diversos grados que cumplen diferentes normas en cuanto a química, microestructura y propiedades mecánicas.
Algunos grados comunes de aluminio titanio son:
- Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Grado 5)
- Ti-45Al-5Nb-0,2C-0,2B (AMS 4965 Grado 5)
Proveedores y costes
Algunos de los principales proveedores mundiales de aleaciones de titanio y aluminio son:
| Proveedor | Grados ofrecidos | Métodos de producción |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | Fundición a la cera perdida<br>Forja |
| ATI | Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | Fundición de precisión<br>Pulvimetalurgia |
| Precision Castparts Corp | Aleaciones personalizadas | Fundición a la cera perdida |
| Plansee | Aleaciones gamma TiAl | Pulvimetalurgia |
Las aleaciones de aluminio y titanio son más caras que las aleaciones de titanio, pero más baratas que las superaleaciones con base de níquel. Algunas estimaciones típicas de precios son:
| Grado | Estimación de precios |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 por kg |
| Ti-47Al-2W-0,5Si | $100 - $150 por kg |
| Aleaciones de TiAl a medida | $150 - $250 por kg |
Los precios varían en función del volumen del pedido, las especificaciones de tamaño, los requisitos de certificación y otras personalizaciones.
Ventajas y limitaciones de las aleaciones de titanio y aluminio
Ventajas y beneficios
- Resistencia específica muy elevada - alta relación resistencia/peso
- Excelente retención de la resistencia hasta 750°C
- Buena resistencia al medio ambiente: oxidación, combustión y corrosión
- Menor coste que las superaleaciones de níquel y cobalto
- Cierta trabajabilidad en caliente para forja, laminación
Deficiencias y limitaciones
- Dificultades de procesamiento: trabajo en caliente y mecanizado
- Comportamiento frágil a temperatura ambiente
- Resistencia a la fractura relativamente baja
- Temperatura máxima de uso limitada a 750°C
- Sujeto a la absorción de hidrógeno y humedad
He aquí una comparación de las ventajas e inconvenientes en relación con las alternativas:
| Parámetro | Aleaciones TiAl | Superaleaciones de níquel | Aleaciones de titanio |
|---|---|---|---|
| Resistencia a altas temperaturas | Bueno hasta 750°C | Excelente por encima de 900°C | Pobre por encima de 500°C |
| Densidad | ✅ Más bajo | Más alto | Comparable |
| Resistencia a la oxidación | Bueno hasta 750°C | ✅ Mejor por encima de 800°C | Pobre por encima de 550°C |
| Coste | ✅ Inferior | Más alto | Más alto |
| Trabajabilidad | Pobre | Bien | ✅ Mejor |
| Tolerancia al daño | Pobre | Bien | Excelente |
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué son los aluminuros de titanio gamma?
R: Los aluminuros gamma TiAl son aleaciones intermetálicas que contienen titanio (Ti) y aluminio (Al) con una estructura cristalina de fase gamma (γ). Tienen una disposición laminar ordenada de átomos de Ti y Al. Gamma TiAl es el tipo de aleación más utilizado.
P: ¿Por qué se consideran las aleaciones de TiAl para aplicaciones aeroespaciales?
R: Las aleaciones de TiAl ofrecen una excelente combinación de baja densidad y buenas propiedades mecánicas hasta 750 ºC. Esto permite diseñar componentes de motores aeronáuticos más ligeros y eficientes utilizando TiAl en lugar de aleaciones de níquel mucho más pesadas.
P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de componentes TiAl para turbocompresores?
R: Las aleaciones de TiAl se utilizan cada vez más para fabricar ruedas y carcasas de turbocompresores en motores de automóviles diésel y de gasolina de alto rendimiento. Su baja densidad y resistencia a la temperatura proporcionan mayor densidad de potencia y eficiencia.
P: ¿Cuáles son los principales retos a la hora de utilizar aleaciones de TiAl?
R: La dificultad de procesamiento mediante fundición, forja y mecanizado, junto con la fragilidad intrínseca a temperatura ambiente y la menor tolerancia a los daños que las aleaciones competidoras, crean barreras para su adopción. Sin embargo, los métodos de procesamiento y el desarrollo de aleaciones siguen avanzando.
P: ¿Cuál es el límite típico de contenido de oxígeno para las aleaciones TiAl?
R: El oxígeno está limitado a menos de 0,2% en las aleaciones TiAl. Los niveles de oxígeno superiores afectan negativamente a la ductilidad. Se utilizan métodos avanzados de fundición y colada para controlar la captación de oxígeno.
