¿Qué son los grados de titanio? Titanio puro y aleaciones – Definición

El titanio es un metal de transición brillante con un color plateado, baja densidad y alta resistencia. El titanio es resistente a la corrosión en agua de mar, agua regia y cloro. En las centrales eléctricas, el titanio se puede utilizar en condensadores de superficie. El metal se extrae de sus principales minerales mediante los procesos Kroll y Hunter. El proceso de Kroll implicó la reducción de tetracloruro de titanio (TiCl4), primero con sodio y calcio, y luego con magnesio, bajo una atmósfera de gas inerte. El titanio puro 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. Las dos propiedades más útiles del metal sonresistencia a la corrosión y relación fuerza-densidad, la más alta de cualquier elemento metálico. La resistencia a la corrosión de las aleaciones de titanio a temperaturas normales es inusualmente alta. La resistencia a la corrosión del titanio se basa en la formación de una capa de óxido protectora estable. 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.

Las aleaciones de titanio son metales 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.

Tipos de aleaciones de titanio

El titanio existe en dos formas cristalográficas. A temperatura ambiente, el titanio sin alear (comercialmente puro) tiene una estructura cristalina hexagonal compacta (hcp) denominada fase alfa (α). Cuando la temperatura del titanio puro alcanza los 885°C (llamada temperatura β transus del titanio), la estructura cristalina cambia a una estructura bcc conocida como fase beta (β). Los elementos de aleación aumentan o disminuyen la temperatura para la transformación α-a-β, por lo que los elementos de aleación en titanio se clasifican como estabilizadores α o estabilizadores β. Por ejemplo, el vanadio, el niobio y el molibdeno disminuyen la temperatura de transformación de α a β y promueven la formación de la fase β.

• Aleaciones Alfa. Las aleaciones alfa contienen elementos como aluminio y estaño y se prefieren para aplicaciones de alta temperatura debido a sus características superiores de fluencia. Estos elementos estabilizadores α funcionan inhibiendo el cambio en la temperatura de transformación de fase o haciendo que aumente. La ausencia de una transición dúctil a frágil, una característica de las aleaciones β, hace que las aleaciones α sean adecuadas para aplicaciones criogénicas. Por otro lado, no se pueden reforzar mediante tratamiento térmico porque alfa es la fase estable y, por tanto, no son tan resistentes como las aleaciones beta.
• Aleaciones Beta. Las aleaciones beta contienen elementos de transición como vanadio, niobio y molibdeno, que tienden a disminuir la temperatura de la transición de fase α a β. Las aleaciones beta tienen una excelente templabilidad y responden fácilmente al tratamiento térmico. Estos materiales son altamente forjables y exhiben una alta tenacidad a la fractura. Por ejemplo, la resistencia máxima a la tracción de una aleación de titanio de alta resistencia, TI-10V-2Fe-3Al, es de aproximadamente 1200 MPa.
• Aleación Alfa + Beta. Las aleaciones alfa + beta tienen composiciones que soportan una mezcla de fases α y β y pueden contener entre 10 y 50% de fase β a temperatura ambiente. La aleación α + β más común es Ti-6Al-4V. La resistencia de estas aleaciones puede mejorarse y controlarse mediante tratamiento térmico. Los ejemplos incluyen: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb.

Grados de titanio

El titanio puro y sus aleaciones se definen comúnmente por sus grados definidos por la norma internacional ASTM. En general, existen casi 40 grados de titanio y sus aleaciones. A continuación se ofrece una descripción general de las aleaciones de titanio y los grados puros que se encuentran con mayor frecuencia, sus propiedades, beneficios y aplicaciones industriales.

• Grado 1. El titanio comercialmente puro de grado 1 es la aleación de titanio más dúctil y blanda. Es una buena solución para ambientes corrosivos y de conformado en frío. Posee la mayor conformabilidad, excelente resistencia a la corrosión y alta tenacidad al impacto. Debido a su formabilidad, comúnmente está disponible como placa y tubería de titanio. Éstas incluyen:
  • Procesamiento químico
  • Fabricación de clorato
  • Arquitectura
  • Industria médica
  • Industria marina
  • Piezas de automóviles
  • Estructura del fuselaje
• Grado 2. El titanio comercialmente puro de grado 2 es muy similar al grado 1, pero tiene mayor resistencia que el grado 1 y excelentes propiedades de conformado en frío. Proporciona excelentes propiedades de soldadura y tiene una excelente resistencia a la oxidación y la corrosión. Este grado de titanio es el grado más común de la industria del titanio comercialmente puro. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:
  • Aeroespacial,
  • Automotor,
  • Procesamiento químico y fabricación de clorato,
  • Desalinización
  • Generación de energía
• Grado 5: Ti-6Al-4V. El grado 5 es la aleación más utilizada y es una aleación alfa + beta. La aleación de grado 5 representa el 50% del uso total de titanio en todo el mundo. 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. Generalmente, Ti-6Al-4V se usa en aplicaciones de hasta 400 grados Celsius. Tiene una densidad de aproximadamente 4420 kg/m³. Es significativamente más fuerte que el titanio comercialmente puro (grados 1-4) debido a su posibilidad de ser tratado térmicamente. Este grado es una excelente combinación de fuerza, resistencia a la corrosión, soldadura y facilidad de fabricación. Es la mejor opción para muchos campos de aplicaciones:
  • Turbinas de aviones
  • Componentes del motor
  • Componentes estructurales de aeronaves
  • Sujetadores aeroespaciales
  • Piezas automáticas de alto rendimiento
  • Aplicaciones marinas
• Grado 23 – Ti-6Al-4V-ELI. Ti-6Al-4V-ELI o TAV-ELI es la versión de mayor pureza de Ti-6Al-4V. ELI son las siglas de Intersticial Extra Low. La diferencia esencial entre Ti6Al4V ELI (grado 23) y Ti6Al4V (grado 5) es la reducción del contenido de oxígeno al 0.13% (máximo) en el grado 23. Los elementos intersticiales reducidos oxígeno y hierro mejoran la ductilidad y la tenacidad a la fractura con cierta reducción en la resistencia. Es la mejor opción para cualquier tipo de situación en la que se requiera una combinación de alta resistencia, peso ligero, buena resistencia a la corrosión y alta tenacidad. Este grado de titanio, grado médico de titanio, se utiliza en aplicaciones biomédicas como componentes implantables debido a su biocompatibilidad, buena resistencia a la fatiga y bajo módulo.

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Aleaciones de titanio