Visión general
Titanio metálico en polvo es una forma granular fina de titanio metálico que se utiliza en diversas aplicaciones de fabricación. Ofrece una excelente relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad, por lo que es adecuado para su uso en componentes aeroespaciales, implantes médicos, equipamiento deportivo, piezas de automoción, etc.
El polvo de titanio puede producirse mediante distintos métodos, como la atomización de titanio fundido, la electrólisis de compuestos de titanio y la reducción directa de minerales de titanio. Las propiedades y el rendimiento del polvo dependen de la técnica de producción, así como de los tratamientos posteriores al procesamiento. Entre las características críticas que definen la calidad y la utilidad del polvo de titanio se encuentran la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, la fluidez del polvo, la densidad aparente y los niveles de impurezas.
Tipos de Polvo metálico de titanio
| Tipo | Método de producción | Tamaño de las partículas | Morfología | Densidad aparente | Fluidez | Aplicaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Atomizado | Atomización por gas o plasma de titanio fundido | 10 - 250 μm | Esférico, granular | 2,2 - 3,8 g/cc | Bien | Fabricación aditiva, MIM |
| Hidruro-dehidruro (HDH) | Hidrogenación y deshidrogenación de chatarra de titanio | <250 μm | Irregular, esponjoso | 1 - 2,5 g/cc | Pobre | Moldeo por inyección de metales |
| Proceso de electrodo giratorio | Electrólisis de compuestos de titanio | 5 - 150 μm | Dendrítico | 2 - 3 g/cc | Feria | Fabricación aditiva |
| Reducción aluminotérmica | Reducción química con aluminio | 50 - 500 μm | Irregular, poroso | 1,5 - 3 g/cc | Feria | Metalización refractaria |
Polvo de titanio atomizado tiene una morfología esférica con buenas características de flujo y empaquetamiento. Es adecuado para aplicaciones exigentes de fabricación aditiva y moldeo por inyección de metales.
Polvo de hidruro de hidruro tiene menor densidad y escasa fluidez en comparación con el polvo atomizado. Se utiliza predominantemente para el moldeo por inyección de metales debido a su menor coste.
Polvo de proceso de electrodos rotatorios tiene partículas dendríticas únicas que proporcionan una alta densidad sinterizada. Se utiliza en métodos de fabricación aditiva como la fusión por haz de electrones.
Composición del polvo metálico de titanio
Los polvos metálicos de titanio se clasifican en cuatro categorías según su contenido en oxígeno y hierro, de acuerdo con las normas ASTM:
| Grado | Oxígeno (wt%) | Hierro (wt%) | Otros elementos |
|---|---|---|---|
| Grado 1 | 0.18 | 0.20 | N, C, H |
| Grado 2 | 0.25 | 0.30 | N, C, H |
| Grado 3 | 0.35 | 0.30 | N, C, H |
| Grado 4 | 0.40 | 0.50 | N, C, H |
Los principales elementos de aleación del polvo de titanio son:
- Aluminio (Al) - Mejora la resistencia y la capacidad de tratamiento térmico
- Vanadio (V) - Aumenta la resistencia y la ductilidad
- Estaño (Sn) - Mejora la resistencia a la fluencia
- Zirconio (Zr) - Refina los granos
Los oligoelementos como el nitrógeno, el carbono, el hidrógeno y el hierro también tienen efectos significativos en las propiedades mecánicas. Es necesario un control estricto de la composición química para lograr un rendimiento óptimo.
Propiedades del titanio metálico en polvo
| Propiedad | Valor | Significado |
|---|---|---|
| Densidad | 4,5 g/cm3 | Más bajo que el acero y las aleaciones de níquel |
| Punto de fusión | 1660°C | Mantiene la resistencia a altas temperaturas |
| Fuerza | 900 - 1200 MPa | Más resistente que el aluminio |
| Módulo elástico | 100 - 120 GPa | Módulo inferior al del acero |
| Alargamiento | 15 – 25% | Buena ductilidad |
| Resistencia a la corrosión | Excelente | Debido a la capa protectora de óxido |
| Biocompatibilidad | Excelente | Apto para implantes médicos |
| Conductividad térmica | 7 - 16 W/m.K | Más bajo que el aluminio y el acero |
Las propiedades de los componentes de titanio acabados dependen de las características del polvo y de cómo se fabrican las piezas. La porosidad, el acabado superficial, el tratamiento térmico, etc. tienen una gran influencia.
Las principales ventajas del titanio metálico son su elevada resistencia específica, su resistencia a la corrosión, su resistencia a la fatiga y su biocompatibilidad. Entre sus limitaciones se encuentra la alta reactividad a temperaturas elevadas, que requiere atmósferas inertes para la manipulación y el procesamiento del polvo. Las aleaciones de titanio también pueden ser más difíciles de mecanizar en comparación con otros metales debido a su baja conductividad térmica, que provoca un calentamiento localizado durante el mecanizado.
Aplicaciones de Polvo metálico de titanio
| Aplicación | Ejemplos | Características requeridas del polvo |
|---|---|---|
| Fabricación aditiva | Componentes aeroespaciales, implantes ortopédicos | Morfología esférica, distribución controlada del tamaño de las partículas por debajo de 100 μm, gran pureza. |
| Moldeo por inyección de metales | Implantes dentales, fijaciones | Polvo irregular inferior a 25 μm apto para la mezcla de aglutinantes. |
| Metalización refractaria | Revestimientos de titanio sobre sustratos metálicos | Amplia gama de tamaños de polvo de 5 μm a 500 μm. |
| Pulvimetalurgia | Bielas, ejes de transmisión | Control estricto del contenido de oxígeno y nitrógeno, buena compresibilidad y sinterabilidad |
| Recubrimientos por pulverización térmica | Recubrimientos protectores para aplicaciones marinas | Polvo especial para pulverización de plasma con distribución granulométrica optimizada |
| Pirotecnia | Bengalas, explosivos | Polvo más grueso por encima de 150 μm adecuado para formulaciones de combustibles metálicos. |
En la fabricación aditiva se prefieren los polvos finos de menos de 100 micras para conseguir una buena resolución y propiedades mecánicas. Para aplicaciones prensadas y sinterizadas, la morfología esférica proporciona una densidad óptima, mientras que las partículas irregulares son preferibles para las materias primas de moldeo por inyección de metales.
Especificaciones del polvo metálico de titanio
Normas ASTM para diferentes grados de polvo de titanio:
| Estándar | Descripción | Grados cubiertos |
|---|---|---|
| ASTM B849 | Norma para el polvo de titanio prealeado para MIM | De 1º a 4º curso |
| ASTM B981 | Norma de aleaciones de titanio para revestimientos por pulverización térmica | Grados 1 y 2 |
| ASTM B983 | Norma para el polvo de hidruro-dehidruro de titanio para MIM | De 1º a 4º curso |
Otras especificaciones del polvo de titanio:
| Parámetro | Valores típicos | Métodos de ensayo |
|---|---|---|
| Distribución granulométrica | 10 μm a 150 μm | Difracción láser, análisis granulométrico |
| Densidad aparente | 1 a 4 g/cc | Caudalímetro Hall, volumétrico Scott |
| Densidad del grifo | 70 a 80% de densidad sólida real | ASTM B527 |
| Morfología del polvo | Esférico, granular, esponjoso, dendrítico | SEM, microscopía óptica |
| Caudal | 25 a 35 s/50 g | Caudalímetro Hall |
| Pérdida en el encendido | 0,1 a 2 wt% | ASTM E1019 |
| Hidrógeno residual | 100 a 500 ppm | Fusión con gas inerte LECO |
Proveedores de Polvo metálico de titanio
| Proveedor | Método de producción | Grado de polvo | Tamaño de las partículas |
|---|---|---|---|
| AP&C | Atomización por plasma | Grado 1, 2, 5 | 10 a 45 μm |
| TLS Técnica | Atomización de gas | Grado 23 | 45 a 150 μm |
| AMETEK | Electrodo giratorio | Grado 2 | 5 a 63 μm |
| Puris | Hidruro-dehidruro | Grado 2 | Hasta 150 μm |
Precio indicativo del polvo metálico de titanio:
| Grado | Precios ($/kg) |
|---|---|
| Grado 1 | De 50 a 150 |
| Grado 2 | De 40 a 100 |
| 5º curso | De 250 a 500 |
Puede haber descuentos por volumen para pedidos superiores a 100 kg. El precio real varía en función de la cantidad, los requisitos de calidad, el plazo de entrega, etc.
Comparación de los métodos de producción de polvo de titanio
| Parámetro | Atomización de gases | Atomización por plasma | Proceso HDH | Electrodo giratorio |
|---|---|---|---|---|
| Morfología | Granulado, esférico | Muy esférica | Esponja, irregular | Dendrítico |
| Recogida de oxígeno | Moderado | Bajo | Alta | Bajo |
| Rendimiento | Moderado | Bajo | Alta | Moderado |
| Coste | Moderado | Alta | Bajo | Moderado |
| Aplicaciones típicas | AM, MIM | AM, aeroespacial | MIM | AM |
No existe un único método de producción que ofrezca el mejor equilibrio entre calidad y economía. La mayoría de los fabricantes se especializan en una tecnología y ofrecen diferentes calidades para distintas aplicaciones. La calidad del polvo y la repetibilidad son fundamentales para las aplicaciones exigentes, mientras que el coste es un factor determinante para los productos de gran volumen.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es la diferencia entre el polvo de titanio de los grados 1, 2, 3 y 4?
R: Los grados difieren en función del contenido permitido de oxígeno y hierro. El grado 1 tiene los niveles más bajos de oxígeno, mientras que el grado 4 permite niveles más altos de impurezas. Los grados inferiores ofrecen propiedades mecánicas superiores, mientras que los grados superiores reducen el coste.
P: ¿Qué tamaño de partícula de polvo de titanio necesito para la fabricación aditiva?
R: Para la mayoría de los procesos de AM, el rango óptimo de tamaño de partícula es de 10 a 45 micras. Los polvos más finos por debajo de 100 micras permiten una buena resolución y propiedades mecánicas. Sin embargo, las partículas extremadamente finas por debajo de 10 μm pueden ser difíciles de esparcir uniformemente durante la estratificación. También son más propensas a problemas de aglomeración.
P: ¿Es peligroso el polvo de titanio?
R: El polvo de titanio puede inflamarse y provocar riesgos de explosión en determinadas condiciones. Los polvos finos de titanio, especialmente los polvos de hidruro, son altamente inflamables. La manipulación de polvo de titanio requiere entornos de gas inerte utilizando argón o nitrógeno. Los contenedores de almacenamiento deben tener una toma de tierra adecuada. Los trabajadores deben tomar precauciones contra la inhalación de polvo y el contacto con la piel al manipular polvos de titanio.
P: ¿Cómo se produce el polvo de titanio?
R: Los cuatro métodos de producción principales son:
- Atomización con gas: La corriente de titanio fundido se rompe en gotitas que se solidifican en polvo
- Atomización por plasma: El calor extremadamente elevado del plasma funde y solidifica rápidamente el titanio
- Proceso HDH: La chatarra de titanio se procesa mediante ciclos de absorción y desorción de hidrógeno.
- Electrodo giratorio: La disolución anódica de las barras de titanio forma polvo mediante reacciones electrolíticas
Cada proceso da como resultado un polvo con características diferentes, adecuado para diversas aplicaciones.
P: ¿Cuál es el precio del polvo de titanio?
R: El polvo de titanio puede oscilar entre $40 y $500 por kg en función del grado, la calidad, el volumen del pedido, etc. El polvo esférico de los grados 1 y 2 tiene un precio moderado, en torno a $100/kg para pequeñas cantidades. Las aleaciones especiales utilizadas en el sector aeroespacial pueden costar hasta $500/kg. El polvo de hidruro-dehidruro y el de grado 4 superior son opciones más baratas cercanas a $50/kg para los compradores de la industria.
