Titanio Ti6Al4V ELI Polvo
El polvo de titanio Ti6Al4V ELI se ha hecho un hueco en la fabricación aditiva de piezas de alto rendimiento para aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción y especializadas. Su composición a medida minimiza las impurezas perjudiciales, al tiempo que conserva las ventajas de solidez, resistencia a la fractura y biocompatibilidad de la aleación de titanio.
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Índice
Visión general
El polvo de titanio Ti6Al4V ELI es una aleación de titanio de alto rendimiento ampliamente utilizada en aplicaciones de impresión 3D, fabricación aditiva y moldeo por inyección de metales en los sectores aeroespacial, médico, de automoción y otros sectores exigentes.
Ti6Al4V ELI hace referencia a una variante "extra low interstitial" del titanio de grado 5 que contiene menores cantidades de oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro en comparación con el Ti6Al4V estándar. Esto mejora la ductilidad, la resistencia a la fractura, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la fluencia a altas temperaturas.
Como materia prima de polvo metálico, el Ti6Al4V ELI permite fabricar geometrías complejas y estructuras ligeras de alta resistencia mediante la impresión 3D por fusión de lecho de polvo y deposición de energía dirigida. Las piezas pueden fabricarse con acabados superficiales finos y propiedades mecánicas comparables a las de los componentes de Ti6Al4V forjados o fundidos tradicionalmente.
A continuación exploramos el polvo Ti6Al4V ELI con más detalle, incluyendo composición, propiedades, especificaciones, precios, aplicaciones y comparaciones con alternativas como los polvos de titanio CP y acero inoxidable.
Composición
El polvo de titanio Ti6Al4V ELI tiene la siguiente composición nominal:
| Elemento | Peso % |
|---|---|
| Aluminio (Al) | 5.5 – 6.75 |
| Vanadio (V) | 3.5 – 4.5 |
| Oxígeno (O) | <= 0.13 |
| Nitrógeno (N) | <= 0.05 |
| Carbono (C) | <= 0.08 |
| Hidrógeno (H) | <= 0.0125 |
| Hierro (Fe) | <= 0.25 |
| Titanio (Ti) | Saldo |
Los elementos de aleación clave -aluminio y vanadio- sirven para reforzar la matriz de titanio mediante mecanismos de refuerzo por solución sólida y endurecimiento por precipitación tras el tratamiento térmico.
La variante ELI garantiza un control estricto de las impurezas intersticiales como O, N, C y Fe para minimizar los efectos perjudiciales sobre la ductilidad y la resistencia a la fractura a altas temperaturas.
Propiedades
A continuación se destacan algunas propiedades clave de la aleación Ti6Al4V ELI en su forma de polvo prealeado:
Propiedades mecánicas
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Resistencia a la tracción | ≥ 895 MPa (130 ksi) |
| Límite elástico | ≥ 825 MPa (120 ksi) |
| Alargamiento | ≥ 10% |
| Dureza | 334 HV (32 HRC) |
Propiedades físicas
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Densidad | 4,43 g/cm3 |
| Punto de fusión | 1604 - 1660°C (2920 - 3020°F) |
| Conductividad térmica | 6,7 W/m-K |
| Resistividad eléctrica | 170 - 190 μΩ-cm |
Propiedades de impresión
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Proceso de impresión | Láser - PBF, EBM<br>Arco - DED |
| Tamaño de las partículas | 15 - 45 μm |
| Densidad aparente | ≥ 2,7 g/cm3 |
| Caudal | ≥ 30 s/50 g |
Condiciones de servicio
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Temperatura máxima de servicio | 400 - 500°C (750 - 930°F) |
| Resistencia a la corrosión | Excelente en general |
| Soldabilidad | Excelente |
| Tratabilidad térmica | Solución tratar + edad |
Aplicaciones
Las propiedades únicas del polvo de aleación de titanio Ti6Al4V ELI lo hacen adecuado para:
Aeroespacial
- Soportes estructurales, carcasas, componentes del motor
- Piezas de fuselaje y helicópteros, alas, fuselajes
- Sistemas de propulsión de naves espaciales, toberas de empuje
Medicina y odontología
- Implantes ortopédicos: fijación de cadera, rodilla y columna vertebral
- Implantes dentales, coronas, puentes, pilares
Automoción
- Bielas, válvulas, ruedas de turbocompresor.
- Equipamiento para deportes de motor: bloques de motor, pinzas de freno
Química
- Recipientes de reactores, intercambiadores de calor, tuberías, depósitos
- Bombas, válvulas, torres de reacción, depuradores
Otros
- Artículos deportivos: bicicletas, palos de golf, cuadros
- Defensa: vehículos blindados, placas de protección corporal
- Energía: componentes de boca de pozo, piezas de extremo de fluido
La siguiente tabla resume algunas aplicaciones típicas de los componentes ELI de Ti6Al4V fabricados mediante técnicas de AM metálica:
| Industria | Aplicaciones | Beneficios |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Álabes de turbina, soportes de motor | Ahorro de peso, rendimiento |
| Biomédica | Cadera, implantes craneales | Biocompatibilidad, osteointegración |
| Automoción | Bielas, pinzas de freno | Aligeramiento, geometrías personalizadas |
| Energía | Piezas de extremo de fluido, componentes de boca de pozo | Resistencia a la corrosión, inventario reducido |
La fabricación aditiva con polvo Ti6Al4V ELI se valora por permitir:
- Reducción de peso: más ligero que el acero y las aleaciones de níquel
- Consolidación de piezas: se necesitan menos fijaciones y soldaduras
- Geometrías personalizadas - optimización de la topología
- Reducción de residuos: uso mínimo de materias primas
- Producción "justo a tiempo": plazos de entrega reducidos
Especificaciones
Los productos de polvo de titanio Ti6Al4V ELI están disponibles de acuerdo con las siguientes especificaciones:
| Estándar | Tipo/Grado Designación | Límites de composición |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | Ti6Al4V ELI | Límites de O, Fe, N, C según ASTM F136 |
| ASTM F3001 | Grado 23 ELI | Gamas Al, V, O, N, C |
| ISO 23377 | Ti6Al4V ELI | Límites O, N, C, H |
Los grados de tamaño más populares que se ajustan a la norma ASTM B214 son:
| Grado | Tamaño de las partículas (μm) | Contenido de oxígeno (%) |
|---|---|---|
| -100+325 malla | 45 - 149 | 0.08 - 0.13 |
| -200 mallas | ≤ 75 | ≤ 0.14 |
| -325 mallas | ≤ 45 | ≤ 0.12 |
Para la impresión de alta resolución puede disponerse de tamaños de partícula más finos, de hasta 10 μm.
Proveedores y precios
A continuación se muestra una tabla de varios de los principales proveedores mundiales de polvo Ti6Al4V ELI y el precio típico en USD por kilogramo:
| Proveedor | Precios ($/kg) |
|---|---|
| AP&C | $275 – $325 |
| Aditivo para carpinteros | $250 – $300 |
| GKN Hoeganaes | $290 – $380 |
| Praxair | $310 – $350 |
| Sandvik Osprey | $280 – $335 |
El precio medio a partir de 2024 se sitúa en torno a $300/kg para el polvo de Ti6Al4V ELI que cumpla la norma ASTM F2924 o especificaciones similares adaptadas para su uso en AM.
Como calidad superior, los polvos ELI tienen un sobreprecio de casi 100% con respecto a los polvos Ti6Al4V estándar (~$150-$200/kg).
Los factores que influyen en el precio son el volumen del pedido, la distribución del tamaño de las partículas, el contenido de intersticiales, la morfología, la densidad aparente y las características de flujo.
Comparaciones
Ti6Al4V ELI frente a Ti6Al4V
- Las variantes extra low interstitial (ELI) son más puras, dúctiles, resistentes y consistentes.
- Los grados ELI tienen niveles más bajos de oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro.
- El Ti6Al4V ELI cuesta unos 100% más que el Ti6Al4V en polvo.
- Por lo demás, las propiedades son muy similares: el Ti6Al4V ofrece un rendimiento adecuado para la mayoría de los usos.
- Industrias como la aeroespacial exigen grados ELI para las piezas giratorias críticas de motores a reacción o fuselajes.
Ti6Al4V ELI vs. CP Titanio Grado 2
- Ti6Al4V ELI tiene mayor resistencia - más de 50% de aumento en la resistencia a la tracción y el límite elástico.
- Conserva la biocompatibilidad y la resistencia a la corrosión del titanio CP.
- Las adiciones de aleación hacen que el Ti6Al4V sea menos conformable pero tratable térmicamente para reforzarlo.
- El CP Ti Grado 2 tiene menor dureza y se desgasta más rápido en servicio, pero es menos caro.
- Ambos son materiales populares para implantes ortopédicos, como las prótesis de cadera y rodilla.
Ti6Al4V ELI frente al acero inoxidable 316L
- El Ti6Al4V ELI tiene menor densidad -casi la mitad que el acero 316L- por lo que es más ligero.
- Ofrece una resistencia específica 2-3 veces superior gracias a su baja densidad.
- El acero es más fácil y barato de mecanizar, pero se ve afectado por problemas de corrosión.
Ti6Al4V ELI frente a Inconel 718
- Inconel 718 tiene más de 50% de resistencia a la tracción que la aleación recocida Ti6Al4V ELI.
- Sin embargo, el Inconel es casi el doble de denso, lo que anula gran parte de la ventaja de resistencia.
- Ti6Al4V ELI conserva mejor la resistencia a temperaturas elevadas, hasta 300°C.
- El Inconel 718 ofrece una resistencia a la oxidación de hasta 700°C, pero es mucho más difícil de mecanizar.
- Tanto la aleación de níquel como el polvo de titanio se utilizan ampliamente en motores aeroespaciales y componentes de fuselajes.
Ti6Al4V ELI frente al cromo-cobalto (CoCr)
- Como aleación metálica biocompatible, el CoCr compite con el Ti6Al4V ELI en implantes médicos como las prótesis de rodilla y cadera.
- El Ti6Al4V ELI presenta una combinación más idónea de resistencia, ductilidad y tenacidad a la fractura.
- Favorece una mejor osteointegración y crecimiento óseo a lo largo del tiempo.
- La aleación de CoCr puede sufrir problemas de lixiviación de iones metálicos, lo que conlleva riesgos de inflamación.
- El Ti6Al4V ELI se prefiere para implantes ortopédicos de carga, mientras que el CoCr se utiliza más en aplicaciones dentales.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas del titanio Ti6Al4V ELI:
- Excelente relación resistencia-peso
- La baja densidad se traduce en piezas ligeras
- Mantiene sus propiedades a temperaturas elevadas
- Resistente a la corrosión en entornos difíciles
- Bioinerte: evita el rechazo de los tejidos del cuerpo humano
- La materia prima en polvo permite formas complejas y optimizadas mediante AM
- Amplia gama de aplicaciones industriales
Desventajas:
- Más caros que los polvos de acero o aluminio
- Menor resistencia a la tracción y a la fatiga que las aleaciones de níquel
- La menor dureza y resistencia al desgaste requiere revestimientos
- Reactividad con oxígeno a altas temperaturas.
- Menor conductividad térmica y eléctrica que otros metales
Conclusión
El polvo de titanio Ti6Al4V ELI se ha hecho un hueco en la fabricación aditiva de piezas de alto rendimiento para aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción y especializadas.
Su composición a medida minimiza las impurezas perjudiciales, al tiempo que conserva las ventajas de solidez, resistencia a la fractura y biocompatibilidad de la aleación de titanio.
La libertad de diseño de las piezas, la creación rápida de prototipos, la reducción de residuos y el ahorro de inventario amplían aún más los mercados para el Ti6Al4V ELI.
A medida que madure la AM metálica, cabe esperar una adopción generalizada más allá de la industria aeroespacial para implantes, componentes de deportes de motor y equipos de manipulación de fluidos, siempre que se superen las barreras de costes en relación con tecnologías tradicionales como la forja y el mecanizado.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué significa la designación ELI para el polvo Ti6Al4V?
R: ELI significa "extra low interstitial", lo que refleja un control más estricto de las impurezas de O, N, C y H para mejorar la ductilidad y la resistencia a la fractura.
P: ¿Está homologado el Ti6Al4V ELI para uso médico o aeroespacial?
R: Sí, los principales organismos de normalización como ASTM F2924, ISO 23377 reconocen las composiciones de Ti6Al4V ELI - autorización para implantes humanos o aplicaciones críticas de vuelo.
P: ¿Requiere el polvo Ti6Al4V ELI un postprocesado de prensado isostático en caliente (HIP)?
R: No necesariamente: las máquinas de AM actuales pueden producir estructuras densas de Ti6Al4V >99% que rivalizan con las propiedades de fundición/forjado sin HIP.
P: ¿Se pueden tratar térmicamente y endurecer por envejecimiento las piezas de Ti6Al4V ELI impresas en 3D?
R: Sí, el tratamiento por disolución seguido del envejecimiento permite el endurecimiento por precipitación a 60+ HRC, alcanzando una resistencia a la tracción final de 1.200+ MPa.
P: ¿Cómo afecta la reutilización del polvo Ti6Al4V ELI a las propiedades de las piezas impresas?
R: El polvo reutilizado puede ver incrementada la captación de oxígeno degradando la ductilidad - se aconseja el polvo refrescado para aplicaciones críticas.
P: ¿Requiere la soldadura Ti6Al4V ELI protección con gas inerte?
R: Sí, el blindaje de argón de alta pureza evita la decoloración y la fragilización; también se utilizan mezclas de helio.
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