Las aleaciones de titanio son aleaciones que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos . Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Sin embargo, el alto costo de las materias primas y el procesamiento limitan su uso a aplicaciones militares , aviones , naves espaciales , bicicletas , dispositivos médicos, joyas, componentes altamente estresados como bielas en autos deportivos caros.y algunos equipos deportivos de primera calidad y electrónica de consumo .
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 drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar un fortalecimiento por precipitación . Este proceso de tratamiento térmico se lleva a cabo después de que la aleación se haya trabajado en su forma final, pero antes de que se ponga en uso, lo que permite una fabricación mucho más fácil de un producto de alta resistencia.
Categorías
Las aleaciones de titanio se clasifican generalmente en cuatro categorías principales: [1]
- Aleaciones alfa que contienen elementos de aleación neutrales (como estaño ) y / o estabilizadores alfa (como aluminio u oxígeno ) únicamente. Estos no son tratables con calor. 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 1–2% 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 .
- 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 enfrían, y que también se pueden tratar en solución y envejecer para mejorar la resistencia. Los ejemplos incluyen: [2] Ti-10V-2Fe-3Al , Ti – 29Nb – 13Ta – 4.6Zr, [3] Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al, Beta C, Ti-15 -3.
Beta-titanio
Las aleaciones de titanio beta exhiben la forma alotrópica BCC de titanio (llamada beta). Los elementos utilizados en esta aleación son uno o más de los siguientes distintos del titanio en cantidades variables. Estos son molibdeno , vanadio , niobio , tantalio , circonio , manganeso , hierro , cromo , cobalto , níquel y cobre .
Las aleaciones de titanio tienen una excelente conformabilidad y se pueden soldar fácilmente. [4]
El titanio beta se utiliza hoy en día en gran medida en el campo de la ortodoncia y se adoptó para su uso en 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 de resistencia / módulo de elasticidad casi el doble de las del acero inoxidable austenítico 18-8, mayores deflexiones elásticas en los resortes y una fuerza reducida por unidad de desplazamiento 2,2 veces menor que la de los electrodomésticos de acero inoxidable.
Algunas de las aleaciones de beta titanio pueden convertirse en omega-titanio hexagonal duro y quebradizo a temperaturas criogénicas [5] o bajo la influencia de radiación ionizante. [6]
Temperatura de transición
La estructura cristalina del titanio a temperatura y presión ambiente es una fase α hexagonal 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 a la temperatura de fusión.
Algunos elementos de aleación, llamados estabilizadores alfa, elevan la temperatura de transición de alfa a beta , [i] mientras que otros (estabilizadores beta) reducen la temperatura de transición. Aluminio, galio , germanio , carbono , oxígeno y nitrógeno son estabilizadores alfa. El molibdeno , vanadio , tantalio , niobio , manganeso , hierro , cromo , cobalto , níquel , cobre y silicio son estabilizadores beta. [7]
Propiedades
Generalmente, el titanio en fase beta es la fase más dúctil y la fase alfa es más fuerte pero menos dúctil, debido al mayor número de planos de deslizamiento en la estructura bcc de la fase beta en comparación con la fase alfa hcp . El titanio de 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 , por lo que puede considerarse una aleación de Ti – O. Los precipitados de óxido ofrecen cierta resistencia (como se discutió anteriormente), pero no responden mucho al tratamiento térmico y pueden disminuir sustancialmente la tenacidad de la aleación.
Muchas aleaciones también contienen titanio como un 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 de titanio .
El titanio 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 fuerte que las aleaciones de aluminio débiles, pero solo 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 que están 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 las altas temperaturas son importantes. 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 titanio y tubería sin costura de aleación de titanio hace referencia a las siguientes aleaciones, que requieren el siguiente tratamiento:
"Las aleaciones se pueden suministrar en las siguientes condiciones: Grados 5, 23, 24, 25, 29, 35 o 36 recocidos o envejecidos; Grados 9, 18, 28 o 38 trabajado en frío y aliviado de estrés o recocido; Grados 9 , 18, 23, 28 o 29 condición beta transformada; y Grados 19, 20 o 21 tratados en solución o tratados en solución y envejecidos ". [8]
"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 diseñados principalmente para uso en recipientes a presión ". [8]
"Los grados H se agregaron en respuesta a una solicitud de 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". [8]
- Grado 1
- es la aleación de titanio más dúctil y blanda. Es una buena solución para ambientes corrosivos y de conformado en frío. ASTM / ASME SB-265 proporciona los estándares para láminas y placas de titanio comercialmente puro. [9]
- 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 1-4 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
- que no debe confundirse 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 de titanio. [10] Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) mientras que tiene la misma rigidez y propiedades térmicas (excluyendo la conductividad térmica, que es aproximadamente un 60% menor en el grado 5 Ti que en el CP Ti). [11] Entre sus muchas ventajas, es tratable térmicamente. Este grado es una excelente combinación de fuerza, resistencia a la corrosión, soldaduras y fabricabilidad.
"Esta aleación alfa-beta es la aleación de caballo de batalla de la industria del titanio. La aleación es totalmente tratable con calor en tamaños de sección de hasta 15 mm y se usa hasta aproximadamente 400 ° C (750 ° F). Dado que es la más comúnmente usada aleación: más del 70% de todos los grados de aleación fundidos son un subgrado de Ti6Al4V, sus usos abarcan muchos usos aeroespaciales de fuselajes y componentes de motores y también importantes aplicaciones no aeroespaciales en las industrias marina, marina y de generación de energía en particular ". [12]
" Aplicaciones : Cuchillas, discos, anillos, fuselajes, sujetadores, componentes. Embarcaciones, estuches, bujes, forjados. Implantes biomédicos". [10]
- Generalmente, Ti-6Al-4V se usa en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg / m 3 , módulo de Young de 120 GPa y resistencia a la tracción de 1000 MPa. [13] 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. [14] 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. [15]
- Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V incluyen: [16]
- AMS: 4911, 4928, 4965, 4967, 6930, 6931, T-9046, T9047
- ASTM: B265, B348, F1472
- MIL: T9046 T9047
- DMS: 1592, 1570
- Grado 6
- contiene 5% de aluminio y 2,5% de estaño. También se conoce como Ti-5Al-2.5Sn. Esta aleación se utiliza en fuselajes y motores a reacción debido a su buena soldabilidad, estabilidad y resistencia a temperaturas elevadas. [17]
- Grado 7
- contiene 0,12 a 0,25% de paladio . Este grado es similar al grado 2. La pequeña cantidad de paladio agregado le da una mayor resistencia a la corrosión por grietas a bajas temperaturas y pH alto . [18]
- Grado 7H
- es idéntico al grado 7 con mayor resistencia a la corrosión. [18]
- 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 tubos de aeronaves para equipos hidráulicos y deportivos.
- Grado 11
- contiene 0,12 a 0,25% de paladio. Este grado tiene una mayor resistencia a la corrosión. [19]
- Grado 12
- contiene 0,3% de molibdeno y 0,8% de níquel. [19]
- Grados 13 , 14 y 15
- todos contienen 0,5% de níquel y 0,05% de rutenio .
- Grado 16
- contiene 0,04 a 0,08% de paladio. Este grado tiene una mayor resistencia a la corrosión.
- Grado 16H
- contiene 0,04 a 0,08% de paladio.
- Grado 17
- contiene 0,04 a 0,08% de paladio. Este grado tiene una mayor resistencia a la corrosión. [ cita requerida ]
- Grado 18
- contiene 3% de aluminio, 2,5% de vanadio y 0,04 a 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. [ cita requerida ]
- Grado 19
- contiene 3% de aluminio, 8% de vanadio, 6% de cromo, 4% de circonio y 4% de molibdeno.
- Grado 20
- contiene 3% de aluminio, 8% de vanadio, 6% de cromo, 4% de circonio, 4% de molibdeno y de 0,04% a 0,08% de 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% de aluminio, 4% de vanadio, 0,13% (máximo) de oxígeno. ELI son las siglas de Intersticial Extra Low. Los elementos intersticiales reducidos, el oxígeno y el hierro mejoran la ductilidad y la tenacidad a la fractura con cierta reducción de la resistencia. [19] TAV-ELI es la aleación de titanio de grado de implante médico más utilizada . [19] [20]
- Las especificaciones estándar de Ti-6Al-4V-ELI incluyen: [20]
- AMS: 4907, 4930, 6932, T9046, T9047
- ASTM: B265, B348, F136
- MIL: T9046 T9047
- Grado 24
- contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio y 0,04% a 0,08% de paladio.
- Grado 25
- contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio y 0,3% a 0,8% de níquel y 0,04% a 0,08% de paladio.
- Grados 26 , 26H y 27
- todos contienen de 0,08 a 0,14% de rutenio.
- Grado 28
- contiene 3% de aluminio, 2,5% de vanadio y 0,08 a 0,14% de rutenio.
- Grado 29
- contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio y de 0,08 a 0,14% de rutenio.
- Grados 30 y 31
- contienen 0,3% de cobalto y 0,05% de paladio.
- Grado 32
- contiene 5% de aluminio, 1% de estaño, 1% de circonio, 1% de vanadio y 0,8% de molibdeno.
- Grados 33 y 34
- contienen 0,4% de níquel, 0,015% de paladio, 0,025% de rutenio y 0,15% de cromo. [ cita requerida ]
- 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 un 45% de niobio.
- Grado 37
- contiene 1,5% de aluminio.
- 38o grado
- 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 al grado 5, pero tiene una buena trabajabilidad en frío similar al grado 9. [21]
Tratamiento térmico
Las aleaciones de titanio se tratan térmicamente por varias razones, las principales son para aumentar la resistencia mediante el tratamiento de la solución y el envejecimiento, así como para 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 se pueden cambiar drásticamente mediante tratamiento térmico. El alivio de la tensión y el recocido son los procesos que pueden emplearse para esta clase de aleaciones de titanio. Los ciclos de tratamiento térmico para las aleaciones beta difieren significativamente de los de las aleaciones alfa y alfa-beta. Las aleaciones beta no solo pueden aliviarse o recocerse, sino que también pueden tratarse en solución y envejecer. Las aleaciones alfa-beta son aleaciones de dos fases, que comprenden las fases alfa y beta a temperatura ambiente. Las composiciones de las fases, los tamaños y las distribuciones de las fases en las 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 se pueden aliviar y recocer.
- Aleaciones alfa-beta
- Trabajando así como con el tratamiento térmico de las aleaciones alfa-beta por debajo o por encima de la temperatura de transición alfa-beta, se pueden lograr grandes cambios microestructurales. Esto puede dar lugar a un endurecimiento sustancial del material. El tratamiento en solución más el envejecimiento se utiliza para producir resistencias máximas en las aleaciones alfa-beta. Además, también se practican otros tratamientos térmicos, incluidos los tratamientos térmicos de alivio de tensión, para este grupo de aleaciones de titanio.
- Aleaciones beta
- En las aleaciones beta comerciales, se pueden combinar tratamientos antiestrés y de envejecimiento.
Aleaciones de titanio por aplicación o uso
Estructuras aeroespaciales
El titanio se usa regularmente en la aviación por su resistencia a la corrosión, sus excelentes propiedades de resistencia al calor, además de ser extremadamente fuerte y liviano en comparación con el acero o más débil e inferior en muchos aspectos al aluminio.
Revestimiento arquitectónico
Aleaciones de titanio utilizadas biomédicamente
Las aleaciones de titanio se han utilizado ampliamente para la fabricación de reemplazos de articulaciones ortopédicas metálicas y cirugías de placas óseas. Normalmente se producen a partir de material de barra forjado o fundido mediante CNC , mecanizado impulsado por CAD o producción de pulvimetalurgia . Cada una de estas técnicas tiene ventajas y desventajas inherentes. Los productos forjados presentan una gran pérdida de material durante el mecanizado en la forma final del producto y, para las muestras fundidas, la adquisición de un producto en su forma final limita un poco el procesamiento y el tratamiento posteriores (por ejemplo, endurecimiento por precipitación ), sin embargo, la fundición es más eficaz en el material. Los métodos tradicionales de pulvimetalurgia también son más eficientes en cuanto al material, pero la adquisición de productos completamente densos puede ser un problema común. [22]
Con la aparición de la fabricación de formas libres sólidas ( impresión 3D ), se ha hecho realidad la posibilidad de producir implantes biomédicos diseñados a medida (por ejemplo, articulaciones de la cadera). Si bien no se aplica actualmente a mayor escala, los métodos de fabricación de forma libre ofrecen la capacidad de reciclar el polvo de desecho (del proceso de fabricación) y hacen que la selectividad adapte las propiedades deseables y, por lo tanto, el 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 formas libres de aleaciones de Ti. 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 martensítica alfa-prima, dando un producto muy duro. [22]
- Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI
- Esta aleación tiene buena biocompatibilidad y no es citotóxica ni genotóxica. [23] Ti-6Al-4V tiene poca resistencia al cizallamiento y escasas propiedades de desgaste superficial en ciertas condiciones de carga: [10]
Biocompatibilidad : Excelente, especialmente cuando se requiere contacto directo con tejidos o huesos. La escasa resistencia al cizallamiento del Ti-6Al-4V lo hace indeseable para tornillos o placas para huesos. También tiene malas propiedades de desgaste superficial y tiende a agarrotarse cuando entra en contacto deslizante consigo mismo y con otros metales. Los tratamientos superficiales como la nitruración y la oxidación pueden mejorar las propiedades de desgaste de la superficie. [10]
- Ti-6Al-7Nb
- Esta aleación se desarrolló como un reemplazo biomédico de Ti-6Al-4V, porque Ti-6Al-4V contiene vanadio, un elemento que ha demostrado resultados citotóxicos cuando se aísla. [24] : 1 Ti-6Al-7Nb contiene 6% de aluminio y 7% de niobio. [24] : 18
Ti6Al7Nb es una aleación de titanio dedicada de alta resistencia con excelente biocompatibilidad para implantes quirúrgicos. Se utiliza para la sustitución de las articulaciones de la cadera y se utiliza clínicamente desde principios de 1986. [25]
Referencias
- Notas
- ^ En una aleación de titanio o titanio, la temperatura de transición de alfa a beta es la temperatura por encima de la cual la fase beta se vuelve termodinámicamente favorable.
- Fuentes
- ^ Características de las aleaciones de titanio alfa, alfa beta y beta
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enlaces externos
- http://www.tifab.com/subpages/tech_spec_grades.htm
- Hoja de datos para Beta Titanium
- Barra de aleación de titanio
- Estabilidad de fase y transformaciones inducidas por estrés en aleaciones de titanio beta