Titanio en polvo son partículas metálicas de titanio finamente divididas que se utilizan en diversas aplicaciones debido a sus propiedades únicas, como su elevada relación resistencia-peso, su resistencia a la corrosión y su biocompatibilidad. Esta guía ofrece una visión detallada de los distintos tipos de polvos de titanio, su composición, propiedades, métodos de fabricación, aplicaciones y proveedores.
Polvos de titanio
Los polvos de titanio se presentan en distintos niveles de pureza, tamaños de partícula y morfologías para su uso en diversas aplicaciones de los sectores aeroespacial, automovilístico, químico, médico y militar, entre otros.
Características clave que hacen útiles los polvos de titanio:
- Elevada relación resistencia/peso
- Excelente resistencia a la corrosión
- Baja densidad en comparación con otros materiales metálicos
- Biocompatibilidad y no toxicidad
- Capacidad para soportar temperaturas extremas
- Gran estabilidad química en diversos entornos
- Opciones versátiles de fabricación y procesamiento
Con el avance de la tecnología, se están produciendo polvos de titanio con características de partícula más controladas para satisfacer las demandas de las aplicaciones.
Tipos de Titanio en polvo
Los polvos de titanio pueden clasificarse en función de su composición, método de producción, morfología de las partículas, distribución del tamaño de las partículas y otros parámetros:
Composición del polvo de titanio
| Tipo | Pureza | Elementos clave |
|---|---|---|
| Titanio comercialmente puro | 99,5-99,9% Ti | Fe, C, N, O |
| Aleación Ti-6Al-4V | 90% Ti, 6% Al, 4% V | Al, V |
| Aleación Ti-3Al-2,5V | 97% Ti, 3% Al, 2,5% V | Al, V |
- El titanio comercialmente puro tiene mayor resistencia a la corrosión. Las aleaciones de titanio proporcionan mayor resistencia.
- También puede haber otros elementos de aleación, como molibdeno, circonio, estaño, silicio, cobre y cromo, en función de las propiedades requeridas.
Método de producción de polvo de titanio
| Método | Detalles | Características de las partículas |
|---|---|---|
| Hidruro-dehidruro (HDH) | La esponja de Ti reaccionó con H2, luego se descompuso | Morfología irregular, amplia distribución de tamaños |
| Atomización de gas | Ti fundido desintegrado por chorros de N2/Ar | Distribución esférica de tamaño controlado |
| Atomización por plasma | Mayor energía que la atomización con gas | Partículas esféricas y finas |
| Atomización de gas de fusión por inducción de electrodos (EIGA) | Combina la fusión del cráneo por inducción con la atomización por gas | Esférico, contenido de oxígeno controlado |
- Los polvos atomizados por gas tienen partículas más esféricas, ideales para la fabricación aditiva, mientras que los polvos HDH son irregulares.
- Los polvos atomizados por plasma pueden producir partículas más finas, inferiores a 15 micras.
Morfología de las partículas de polvo de titanio
| Tipo | Forma | Textura de la superficie |
|---|---|---|
| Irregular | Formas aleatorias no esféricas | Superficies rugosas |
| Granular | Redondeado con facetas visibles | Liso con algunas picaduras |
| Esférica | Muy redondo en general | Muy suave |
- La forma de las partículas influye en el flujo del polvo, la densidad de empaquetamiento y la uniformidad de las capas en los procesos de AM.
- Los polvos más suaves y esféricos ofrecen un mejor rendimiento en la mayoría de los sistemas de AM metálica.
Distribución granulométrica del polvo de titanio
Los polvos de titanio adecuados para procesos de AM como la fusión de lecho de polvo láser (L-PBF) y la deposición de energía dirigida (DED) tienen distribuciones de tamaño de partícula entre:
- 15-45 micras
- 45-150 micras
Los polvos más finos de 15-45 micras permiten una mayor resolución, mientras que los polvos más gruesos de 45-150 minimizan los gases atrapados y mejoran la fluidez.
Propiedades del titanio en polvo
Las propiedades clave de los polvos de titanio son:
Tabla: Propiedades del titanio en polvo
| Propiedad | Detalles |
|---|---|
| Densidad | 4,5 g/cc |
| Punto de fusión | 1668°C |
| Conductividad térmica | Bajo, 6,7 W/mK |
| Conductividad eléctrica | Bajo, 0,4 MS/m |
| Reactividad química | Forma una capa de óxido estable en el aire |
| Resistencia mecánica | Elevada relación resistencia/peso |
| Resistencia a la corrosión | Resistente a una gran variedad de ácidos, cloruros y otros productos químicos |
| a temperaturas elevadas | |
| Biocompatibilidad | Excelente, no tóxico, no alergénico |
- La capa de óxido hace que el titanio sea resistente a la corrosión y proporciona bioinercia.
- El titanio tiene la mayor relación resistencia-peso entre los metales después del berilio.
- La aleación mejora significativamente las propiedades mecánicas a alta temperatura.
Métodos de fabricación de polvos de titanio
Entre las técnicas más utilizadas para producir polvos de titanio se incluyen:
Tabla: Métodos de fabricación del polvo de titanio
| Método | Principio de funcionamiento | Características de las partículas |
|---|---|---|
| Hidruro-dehidruro (HDH) | La esponja de Ti reacciona con H2 para formar TiH2 quebradizo que se tritura y se descompone en polvo. | Formas irregulares, amplia distribución de tamaños |
| Atomización de gas | Chorros de gas inerte a alta velocidad desintegran el flujo de titanio fundido en gotas que se solidifican en polvo. | Partículas esféricas, distribución de tamaños controlada |
| Atomización por plasma | Similar a la atomización con gas pero se utiliza un arco de plasma de mayor energía | Partículas esféricas más finas, formaciones satélites |
| Atomización de gas por inducción de electrodos (EIGA) | Combina la fusión por inducción en crisol de cobre frío con la atomización por gas | Partículas más finas, menor captación de oxígeno |
Pasos adicionales como el tamizado, la desoxigenación o la consolidación pueden modificar aún más los polvos para aplicaciones específicas.
Aplicaciones de Titanio en polvo
Principales aplicaciones que aprovechan las propiedades del polvo de titanio:
Tabla: Aplicaciones del titanio en polvo
| Industria | Aplicación | Beneficios |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Forja, fundición de piezas de motor; AM de fuselaje, componentes de turbina | Elevada relación resistencia/peso |
| Química | Equipos como intercambiadores de calor, depósitos, tuberías | Resistencia a la corrosión |
| Automoción | Válvulas, bielas, suspensiones | Ligero y duradero |
| Biomédica | Implantes, prótesis, dispositivos | Biocompatibilidad, osteointegración |
| Militar | Placas de blindaje balístico, vehículos | Alta resistencia, baja densidad |
| Fabricación aditiva | L-PBF de componentes de Ti-6Al-4V para los sectores aeroespacial y de automoción | Producción económica de piezas complejas y ligeras |
- La biocompatibilidad permite la integración del implante de titanio con una respuesta inflamatoria mínima.
- La capacidad de imprimir en 3D intrincados componentes de titanio amplía la flexibilidad de producción.
En particular, la aleación de titanio Ti-6Al-4V domina en la aviación, los implantes médicos y las aplicaciones de metal AM debido a su fuerza, trabajabilidad y resistencia a la corrosión combinadas con su disponibilidad comercial.
Especificaciones del polvo de titanio
Los polvos industriales de titanio para AM y otras aplicaciones deben ajustarse a las especificaciones de composición, distribución del tamaño de las partículas, morfología, características de flujo, niveles de impurezas y otros parámetros.
Tabla: Especificaciones del polvo de titanio
| Parámetro | Especificación típica | Método de ensayo |
|---|---|---|
| Tamaño de las partículas | 15-45 μm; 45-150 μm | Difracción láser, tamiz |
| Forma de las partículas | Relación de aspecto inferior a 3 | Microscopía |
| Densidad aparente | Por encima de 2,5 g/cc | Caudalímetro Hall |
| Densidad del grifo | Hasta 4 g/cc | ASTM B527 |
| Caudal | 25-35 s/50g | Caudalímetro Hall |
| Contenido de oxígeno | Por debajo de 0,2 wt% | Fusión de gases inertes |
| Contenido en nitrógeno | Por debajo de 0,05 wt% | Fusión de gases inertes |
| Contenido en hidrógeno | Por debajo de 0,0125 wt% | Fusión de gases inertes |
El cumplimiento de los criterios de calidad del polvo garantiza la uniformidad, la fiabilidad y el rendimiento de la producción AM.
Proveedores de titanio en polvo
Entre los principales fabricantes y proveedores de polvo de titanio del mundo figuran:
Tabla: Proveedores de polvo de titanio
| Empresa | Grados de polvo | Métodos de producción |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-64 ELI, Ti Grado 2 | Atomización por plasma |
| TLS Técnica | Ti-6Al-4V, Ti Grado 2, Ti Grado 5 | Atomización de gas |
| Praxair (T.I.P.) | CP Ti, Ti-6Al-4V | Múltiples |
| SLMP Mallory | CP Ti, Ti-6Al-4V | HDH, Atomización con gas |
| Aditivo para carpinteros | Ti-6Al-4V | Atomización de gas |
| Sandvik | Múltiples aleaciones de Ti | Atomización por plasma |
| Tecnología LPW | CP Ti, aleaciones de Ti | Atomización por plasma |
Los precios oscilan entre $50/kg para polvos irregulares y más de $1000/kg para materiales atomizados por plasma de gran esfericidad utilizados en aplicaciones exigentes como los componentes aeroespaciales.
Comparación de polvos de titanio
Tabla: Comparación de los tipos de polvo de titanio
| Parámetro | Polvo HDH | Gas atomizado | Plasma atomizado |
|---|---|---|---|
| Forma de las partículas | Irregular | Redondeado | Muy esférica |
| Gama de tamaños (μm) | 50-250 | 15-150 | 5-45 |
| Coste de producción | Bajo | Moderado | Alta |
| Contenido de oxígeno | Más alto | Baja | Más bajo |
| Utiliza | Prensar y sinterizar | Moldeo por inyección de metales, prensado isostático en caliente | AM (DED, L-PBF) |
Los polvos HDH son menos caros, pero las partículas irregulares limitan su uso a las tecnologías de prensado y sinterización, mientras que el polvo atomizado por plasma, a pesar de su elevado coste, ofrece excelentes propiedades de flujo y fusión para la exigente fabricación aditiva. El polvo atomizado con gas ofrece un buen equilibrio para la mayoría de las aplicaciones.
Ventajas y limitaciones de Titanio en polvo
Tabla: Ventajas y limitaciones de los polvos de titanio
| Ventajas | Limitaciones |
|---|---|
| Elevada relación resistencia/peso | Caro en comparación con el acero |
| Mantiene sus propiedades a temperaturas elevadas | Requiere tratamiento en atmósfera controlada |
| Resistente a una amplia gama de productos químicos | Baja conductividad térmica |
| Completamente reciclable | Susceptible a la contaminación como la captación de oxígeno |
| No magnético y sin chispas | Difícil de mecanizar en determinadas aleaciones |
| Fácil fabricación de formas complejas | Base de proveedores limitada, especialmente para el polvo de alta calidad |
Los méritos del titanio lo hacen adecuado para aplicaciones especializadas a pesar de inconvenientes como su elevado coste y su sensibilidad a la contaminación durante su reutilización o reciclado.
Preguntas frecuentes
1. ¿Por qué es importante la alta pureza de los polvos de titanio destinados a aplicaciones médicas o aeroespaciales?
La alta pureza minimiza las respuestas biológicas adversas y garantiza un rendimiento fiable en condiciones de servicio exigentes durante décadas de vida útil del producto. Los oligoelementos pueden afectar negativamente a las propiedades mecánicas o a la resistencia a la corrosión.
2. ¿Cuál es la ventaja de los polvos esferoidales de titanio para la AM?
Los polvos esféricos con textura superficial lisa proporcionan una excelente fluidez, esparcibilidad, densidad de empaquetamiento y uniformidad de capa durante los procesos de fusión por láser o haz electrónico, lo que se traduce en componentes impresos en 3D de mayor calidad.
3. ¿Qué método de producción de polvo de titanio produce partículas de tamaño más fino?
La atomización por plasma del titanio puede producir partículas extremadamente finas de hasta 5-15 micras gracias a un mayor aporte de energía, lo que permite un procesamiento AM de muy alta resolución. Sin embargo, la productividad es inferior a la atomización con gas.
4. ¿Por qué la atomización con gas es el método más popular para fabricar polvo de titanio?
Los polvos atomizados con gas ofrecen un buen equilibrio entre la distribución del tamaño de las partículas, la morfología esférica, la densidad aparente y una moderada captación de oxígeno durante la producción a un coste razonable. Esto permite una gran flexibilidad a la hora de cumplir las especificaciones de prensado, AM, pulverización térmica u otras tecnologías pulvimetalúrgicas.
5. ¿Qué se entiende por "partículas satélite" en el polvo de titanio atomizado por plasma?
Los satélites son partículas muy finas de tamaño insuficiente que se adhieren a la superficie de partículas más gruesas durante la solidificación rápida. Estos satélites pueden quedar atrapados en capas, afectando negativamente a la consolidación y la densidad.
Resumen
Gracias a su alta resistencia, baja densidad, resistencia a la temperatura, comportamiento frente a la corrosión y biocompatibilidad, los polvos de titanio sirven para aplicaciones críticas en los sectores aeroespacial, médico, automovilístico, químico y militar.
Los modernos métodos de atomización por gas, plasma y fusión por inducción pueden producir polvos de titanio con características de partícula a medida para maximizar el rendimiento en procesos de AM de lecho de polvo, así como en moldeo por inyección de metal, prensado y sinterización, pulverización térmica, etc.
Los principales productores de polvo de titanio ofrecen varios grados, incluido el titanio comercialmente puro, junto con aleaciones de alta resistencia como Ti-6Al-4V, que cumplen los requisitos clave de distribución de tamaños, forma y pureza.
A pesar de su mayor coste frente al acero, los polvos de titanio ofrecen la combinación necesaria de propiedades mecánicas y químicas para justificar su uso en piezas giratorias de misión crítica, sistemas de protección de blindajes, implantes biomédicos y componentes impresos en 3D en los que el rendimiento, la vida útil y la fiabilidad son vitales.
La I+D continua centrada en la fabricación de polvo, el postprocesado, el desarrollo de aleaciones y la cualificación tiene como objetivo ampliar la adopción en los sectores aeroespacial, de defensa, automovilístico y médico, donde las capacidades del titanio pueden permitir tecnologías de transporte y sanitarias de nueva generación.
