Titanio Aleaciones de aluminio

Visión general

Titanio Aleaciones de aluminio son una clase de materiales metálicos que contienen una mezcla de titanio y aluminio. Son ligeros, tienen una gran resistencia y una excelente resistencia a la corrosión y la oxidación a altas temperaturas.

Las aleaciones de TiAl se consideran un importante material estructural de alta temperatura para aplicaciones aeroespaciales y de automoción debido a su combinación única de propiedades. Su baja densidad las hace más ligeras que las superaleaciones con base de níquel, al tiempo que conservan su resistencia y estabilidad a temperaturas de hasta 750 °C.

Propiedades clave de Titanio Aleaciones de aluminio

Tipos de aleaciones de titanio y aluminio

Existen dos tipos principales de aleaciones de titanio y aluminio:

Aleaciones Gamma TiAl

Las aleaciones Gamma TiAl tienen una microestructura laminar y contienen aproximadamente 45-48% de titanio y el resto de aluminio. También se realizan pequeñas adiciones de elementos como niobio, carbono, boro y cromo para mejorar las propiedades.

Las aleaciones TiAl de fase gamma ofrecen un buen equilibrio entre baja densidad, resistencia, ductilidad y resistencia a la oxidación. Son las aleaciones de TiAl más utilizadas.

Aleaciones Alfa-2 Ti3Al

Las aleaciones alfa-2 Ti3Al contienen aproximadamente 25% de aluminio y tienen una estructura cristalina hexagonal. Ofrecen una resistencia a la tracción muy elevada, pero su ductilidad y tenacidad a la fractura son inferiores a las de las aleaciones TiAl gamma.

Las aleaciones Alpha-2 se utilizan normalmente en aplicaciones de muy alta temperatura, por encima de 800°C, como en turbocompresores.

Composición de Titanio Aleaciones de aluminio

Las aleaciones de titanio y aluminio contienen titanio como componente principal, con aluminio y pequeñas cantidades de otros elementos. Este es el rango de composición típico:

Los porcentajes de elementos de aleación se controlan con precisión para conseguir la microestructura y las propiedades adecuadas en la aleación.

Propiedades clave de las aleaciones de titanio y aluminio

Propiedades de resistencia de la aleación de titanio y aluminio

Propiedades físicas

Propiedades mecánicas a temperatura ambiente

Aplicaciones y usos de Titanio Aleaciones de aluminio

Las aleaciones de titanio y aluminio se utilizan en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento. Algunos usos clave son:

Usos en la industria aeroespacial

• Componentes de motores aeronáuticos como álabes, discos, carenados de entrada de aire
• Estructuras del fuselaje y las alas en aviones de alta velocidad
• Piezas de vehículos espaciales gracias a la combinación de bajo peso y resistencia a la temperatura

Usos en la industria del automóvil

• Ruedas y carcasas de turbinas de turbocompresores
• Bielas, válvulas, muelles y tornillería en motores de alto rendimiento
• Componentes para deportes de motor, como bielas y válvulas

Otras aplicaciones

• Piezas de motores de turbina de gas, generación de energía y aplicaciones marinas
• Implantes biomédicos como articulaciones artificiales de cadera
• Artículos deportivos como cuadros de bicicleta, palos de golf

He aquí una comparación del uso de aleaciones de titanio y aluminio frente a otras alternativas:

Normas y especificaciones del sector

Algunas normas industriales ampliamente utilizadas para las aleaciones de titanio y aluminio son:

Los productos de aleación se ofrecen en diversos grados que cumplen diferentes normas en cuanto a química, microestructura y propiedades mecánicas.

Algunos grados comunes de aluminio titanio son:

• Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Grado 5)
• Ti-45Al-5Nb-0,2C-0,2B (AMS 4965 Grado 5)

Proveedores y costes

Algunos de los principales proveedores mundiales de aleaciones de titanio y aluminio son:

Las aleaciones de aluminio y titanio son más caras que las aleaciones de titanio, pero más baratas que las superaleaciones con base de níquel. Algunas estimaciones típicas de precios son:

Los precios varían en función del volumen del pedido, las especificaciones de tamaño, los requisitos de certificación y otras personalizaciones.

Ventajas y limitaciones de las aleaciones de titanio y aluminio

Ventajas y beneficios

• Resistencia específica muy elevada - alta relación resistencia/peso
• Excelente retención de la resistencia hasta 750°C
• Buena resistencia al medio ambiente: oxidación, combustión y corrosión
• Menor coste que las superaleaciones de níquel y cobalto
• Cierta trabajabilidad en caliente para forja, laminación

Deficiencias y limitaciones

• Dificultades de procesamiento: trabajo en caliente y mecanizado
• Comportamiento frágil a temperatura ambiente
• Resistencia a la fractura relativamente baja
• Temperatura máxima de uso limitada a 750°C
• Sujeto a la absorción de hidrógeno y humedad

He aquí una comparación de las ventajas e inconvenientes en relación con las alternativas:

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué son los aluminuros de titanio gamma?

R: Los aluminuros gamma TiAl son aleaciones intermetálicas que contienen titanio (Ti) y aluminio (Al) con una estructura cristalina de fase gamma (γ). Tienen una disposición laminar ordenada de átomos de Ti y Al. Gamma TiAl es el tipo de aleación más utilizado.

P: ¿Por qué se consideran las aleaciones de TiAl para aplicaciones aeroespaciales?

R: Las aleaciones de TiAl ofrecen una excelente combinación de baja densidad y buenas propiedades mecánicas hasta 750 ºC. Esto permite diseñar componentes de motores aeronáuticos más ligeros y eficientes utilizando TiAl en lugar de aleaciones de níquel mucho más pesadas.

P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de componentes TiAl para turbocompresores?

R: Las aleaciones de TiAl se utilizan cada vez más para fabricar ruedas y carcasas de turbocompresores en motores de automóviles diésel y de gasolina de alto rendimiento. Su baja densidad y resistencia a la temperatura proporcionan mayor densidad de potencia y eficiencia.

P: ¿Cuáles son los principales retos a la hora de utilizar aleaciones de TiAl?

R: La dificultad de procesamiento mediante fundición, forja y mecanizado, junto con la fragilidad intrínseca a temperatura ambiente y la menor tolerancia a los daños que las aleaciones competidoras, crean barreras para su adopción. Sin embargo, los métodos de procesamiento y el desarrollo de aleaciones siguen avanzando.

P: ¿Cuál es el límite típico de contenido de oxígeno para las aleaciones TiAl?

R: El oxígeno está limitado a menos de 0,2% en las aleaciones TiAl. Los niveles de oxígeno superiores afectan negativamente a la ductilidad. Se utilizan métodos avanzados de fundición y colada para controlar la captación de oxígeno.

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