Polvo de aleación de titanio: Propiedades, producción y aplicaciones

Polvos de aleación de titanio son materiales de ingeniería avanzada valorados por su elevada relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Este artículo ofrece una visión general de la pulvimetalurgia de las aleaciones de titanio, los métodos de fabricación, las composiciones, las propiedades mecánicas, los usos industriales y el panorama de proveedores.

Polvo de aleación de titanio

El polvo de aleación de titanio se compone de titanio mezclado con otros elementos metálicos como aluminio, vanadio, hierro y molibdeno. Los polvos se producen mediante atomización con gas y otros métodos en finas partículas esféricas.

Estos polvos avanzados se utilizan para fabricar componentes de alto rendimiento mediante técnicas pulvimetalúrgicas como el moldeo por inyección de metal, la fabricación aditiva y el prensado isostático en caliente. Las piezas fabricadas con polvos de aleaciones de titanio presentan propiedades mecánicas superiores a las de las fabricadas con titanio sin alear.

Las cualidades únicas de alta resistencia, baja densidad, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad hacen que los polvos de aleación de titanio sean adecuados para aplicaciones aeroespaciales, médicas, de automoción, químicas y de consumo.

Ventajas del polvo de aleación de titanio:

• Elevada relación resistencia/peso
• Excelente resistencia a la corrosión
• Bioinerte y biocompatible
• Posibilidad de adaptar las propiedades mediante composiciones
• Fabricación de componentes en forma de red
• Ahorro de costes gracias a la pulvimetalurgia

Desafíos con el polvo de aleación de titanio:

• Alto coste del material
• Problemas de reactividad durante la manipulación y la transformación
• Limitaciones en las propiedades alcanzables
• Requisitos para atmósferas controladas
• Menor ductilidad que las aleaciones competidoras

Composiciones de Polvo de aleación de titanio

Las aleaciones de titanio se clasifican en las categorías alfa, alfa-beta y beta en función de la microestructura que forman tras su procesamiento. Los elementos de aleación, sus concentraciones y los tratamientos termomecánicos determinan las fases microestructurales.

Elementos de aleación comunes en el polvo de aleación de titanio:

• Aluminio (Al)
• Vanadio (V)
• Hierro (Fe)
• Molibdeno (Mo)
• Estaño (Sn)
• Circonio (Zr)
• Niobio (Nb)

Efectos de los elementos de aleación:

• Aluminio (Al) - Mejora la resistencia y reduce la densidad
• Vanadio (V) - Refuerza las fases alfa y beta
• Hierro (Fe) - Aumenta la resistencia y la ductilidad
• Molibdeno (Mo) - Refuerza la aleación hasta 500°C
• Estaño (Sn) - Mejora la resistencia a la fluencia
• Zirconio (Zr) - Refinamiento de los granos
• Niobio (Nb) - Previene la formación de cajas alfa

Composiciones comunes de polvo de aleación de titanio:

Efectos de la composición en las propiedades:

• El aumento del contenido de Al aumenta la resistencia a la tracción y disminuye la densidad
• La adición de V, Mo, Cr mejora la resistencia a altas temperaturas
• La adición de Fe aumenta la resistencia a la tracción a temperatura ambiente
• El Sn mejora la resistencia a la fluencia de la aleación
• El Zr y el Nb contribuyen al control de la estructura del grano

Métodos de producción de aleaciones de titanio en polvo

El polvo de aleación de titanio se fabrica mediante métodos avanzados que generan polvos esféricos finos a partir de las aleaciones fundidas. Las técnicas de producción más comunes incluyen la atomización con gas, el proceso de electrodo giratorio de plasma (PREP) y la atomización con plasma.

Atomización de gases

• Los chorros de gas inerte a alta presión desintegran la corriente de metal fundido en finas gotas
• Genera polvos de entre 10 micras y 250 micras
• Método más utilizado y económico
• Los polvos tienen formas irregulares y contienen satélites

Proceso de electrodos rotativos de plasma (PREP)

• Un electrodo giratorio desintegra una aleación mediante antorchas de plasma
• Genera polvos muy esféricos y suaves
• Excelente control del tamaño y la distribución del polvo
• Se utiliza para aleaciones reactivas y de alto punto de fusión

Atomización por plasma

• El arco eléctrico o plasma calienta y atomiza la aleación en gotas
• Produce polvos muy esféricos con buena fluidez
• Adecuado para la producción de lotes pequeños de polvos finos de menos de 63 micras

Tratamiento secundario

Los polvos atomizados se someten a un tratamiento secundario para mejorar sus características:

• Tamizado en distribuciones granulométricas finas
• Acondicionamiento para eliminar los satélites y minimizar la aglomeración
• Mezcla de polvos elementales o de aleaciones maestras para conseguir las composiciones deseadas.

Consideraciones sobre la manipulación

• Los polvos de aleación de titanio son pirofóricos (inflamables) y requieren entornos controlados con niveles de oxígeno y humedad inferiores a 50 ppm durante su almacenamiento, procesamiento y manipulación. El argón se utiliza habitualmente como gas inerte de recubrimiento.

Propiedades mecánicas del polvo de aleación de titanio

Propiedades de tracción

Las aleaciones de titanio presentan unas propiedades de resistencia a la tracción superiores a las del titanio sin alear, en función de sus composiciones y su historial de procesamiento.

Efectos de los elementos de aleación:

• El aluminio mejora la resistencia mediante el refuerzo de la solución sólida
• Las adiciones de V, Mo, Nb, Ta aumentan la resistencia a altas temperaturas
• El hierro aumenta la resistencia a la tracción a temperatura ambiente

Propiedades de fatiga y fractura

La resistencia a la fatiga y la tenacidad a la fractura disminuyen con mayores concentraciones de estabilizadores beta como el molibdeno y el vanadio. Los tratamientos termomecánicos pueden utilizarse para optimizar la combinación de propiedades de resistencia, ductilidad, fatiga y fractura.

Aplicaciones industriales de Polvo de aleación de titanio

La excelente solidez, resistencia a la corrosión, dureza y biocompatibilidad de las aleaciones de titanio las hacen idóneas para aplicaciones críticas en todos los sectores.

Industria aeroespacial

• Sistemas hidráulicos de aeronaves
• Depósito de propulsante de la nave espacial
• Componentes del fuselaje y del tren de aterrizaje
• Piezas de motor como álabes, discos y carcasas de compresores

Industria médica y dental

• Implantes ortopédicos como articulaciones de cadera, placas óseas y tornillos
• Instrumentos quirúrgicos y bioimplantes
• Arcos de ortodoncia
• Implantes dentales

Industria del automóvil

• Bielas, válvulas de admisión, retenedores de muelle de válvula
• Componentes para motocicletas y carreras
• Piezas del sistema de escape

Industria química

• Intercambiadores de calor, condensadores y tuberías
• Equipos de proceso resistentes a la corrosión
• Equipos de desalinización y control de la contaminación

Industria de consumo

• Relojes y joyas
• Equipamiento deportivo como cuadros de bicicleta, palos de golf, palos de lacrosse
• Monturas de gafas, piercings y anillos

Otras aplicaciones

• Marina - Hélices, cúpulas de sonar, plantas desalinizadoras
• Generación de energía - Componentes de turbinas de vapor y gas
• Arquitectura - Paneles decorativos de fachada, barandillas, tejados

La excelente relación resistencia-peso también hace que las aleaciones de titanio sean adecuadas para sustituir a los componentes de acero y aluminio en todas las industrias.

Especificaciones y normas

Los polvos de aleación de titanio se producen de acuerdo con las normas ASTM que definen los niveles aceptables de oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro para los distintos grados.

Proveedores de aleación de titanio en polvo

Los polvos de aleaciones de titanio son suministrados por productores de polvos metálicos especializados que fabrican diferentes grados adaptados a las aplicaciones industriales.

Principales fabricantes de polvo de aleación de titanio:

Principales distribuidores de polvo de aleación de titanio:

• Atlantic Equipment Engineers
• Micron Metales
• TLS Técnica
• Titanio mundial

Análisis de costes

Los polvos de aleación de titanio oscilan entre $$$/kg a $$$$/kg en función de la composición, el método de producción, la forma, la distribución de tamaños, la calidad, el volumen de pedidos y la región geográfica.

Generalmente, los polvos fabricados mediante métodos basados en el vacío (atomización por plasma, PREP) cuestan más que los polvos atomizados con gas inerte. Los polvos finos de calidad médica de menos de 45 micras son más caros.

Oportunidades de ahorro:

• Utilizar Ti-6Al-4V menos costoso en lugar de aleaciones de primera calidad
• Sustituir el titanio por aleaciones de acero inoxidable o aluminio
• Emplear la fabricación aditiva frente al mecanizado CNC
• Compre al por mayor para beneficiarse de descuentos por cantidad

Comparación entre grados de titanio

Aleaciones Ti-6Al-4V vs. Ti-6Al-7Nb:

Ti-6Al-4V frente al grado de titanio CP 1:

• El Ti-6Al-4V es 2 veces más resistente a la tracción y al límite elástico.
• CP Grado 1 ofrece mejor ductilidad - 25% alargamiento vs 10-15%
• El Ti-6Al-4V es 45% más resistente en peso que el titanio CP
• El titanio CP es más moldeable y fácil de mecanizar que la aleación

Métodos de atomización por gas frente a métodos de atomización por plasma:

Métodos de tratamiento de Polvo de aleación de titanio

Las tres principales vías de procesamiento del polvo para la fabricación de componentes de titanio son:

Moldeo por inyección de metal (MIM)

• Producción de gran volumen de piezas pequeñas y complejas
• Combinación de moldeo por inyección de plástico y sinterización de polvo metálico
• Excelente precisión dimensional y acabados superficiales.
• Aplicaciones aeroespaciales y médicas

Fabricación aditiva (AM)

• Impresión 3D directa de componentes a partir de datos CAD
• Libertad de diseño para geometrías complejas y ligeras
• Aleaciones de titanio como Ti-6Al-4V muy utilizadas
• Se utiliza en todos los sectores: médico, aeroespacial y automovilístico.

Prensado isostático en caliente (HIP)

• Consolidación de polvos encapsulados mediante calor y presión isostática
• Alcanza altas densidades en formas complejas
• Bajo coste en comparación con el mecanizado de metal sólido
• Se utiliza para componentes aeronáuticos y médicos

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las diferentes calidades del polvo de aleación de titanio?

Los grados de aleación de titanio más comunes son Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-10V-2Fe-3Al y Ti-13V-11Cr-3Al. El número de grado indica la composición; por ejemplo, Ti-6Al-4V contiene 6% de aluminio y 4% de vanadio.

¿Por qué Ti-6Al-4V es la aleación de titanio más popular?

El Ti-6Al-4V ofrece la mejor combinación de ligereza, resistencia a la corrosión, facilidad de fabricación y coste. Presenta una excelente resistencia en condiciones alfa + beta y puede someterse a tratamiento térmico adicional. Representa más del 50% de todo el titanio utilizado.

¿Qué tamaños de partícula hay disponibles para los polvos de aleación de titanio?

Los polvos de aleación de titanio para fabricación aditiva oscilan entre 15 y 45 micras. Los polvos más finos, por debajo de 25 micras, permiten una mayor resolución, pero son más caros. Para aplicaciones MIM, se prefieren polvos de mayor tamaño, entre 45 y 250 micras.

¿Por qué se incendia el polvo de titanio?

Los polvos de titanio tienen una gran afinidad por el oxígeno y pueden inflamarse espontáneamente si se exponen al aire. Su naturaleza pirofórica requiere entornos de gas inerte durante su manipulación, almacenamiento y procesamiento. Incluso la humedad y los residuos de aceite pueden iniciar incendios.

¿Por qué es caro el polvo de aleación de titanio?

La producción de polvo de aleación de titanio implica complejos procesos de fusión al vacío en atmósfera inerte, lo que la hace más costosa que los aceros y las aleaciones de aluminio. También contribuyen a su elevado precio de venta el mayor coste de las materias primas, el consumo de energía, la generación de residuos y la escasa reutilización del polvo.

¿Qué industrias utilizan polvo de aleación de titanio?

Las principales industrias de aplicación son la aeroespacial, la médica y dental, la automovilística, la marina, la de equipamiento deportivo y la de procesamiento químico, debido a su alta resistencia, bajo peso y resistencia a la corrosión. La biocompatibilidad permite su uso en implantes quirúrgicos y alambres de ortodoncia.

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