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

Propiedad	Descripción
Densidad	3,7 - 4,1 g/cm3, muy inferior a las aleaciones de níquel
Fuerza	Mantienen una alta resistencia a temperaturas de hasta 750°C
Rigidez	Módulo elástico elevado de unos 160 GPa
Ductilidad	Quebradizo a temperatura ambiente, pero se vuelve más dúctil a altas temperaturas
Resistencia a la corrosión	Excelente resistencia a la corrosión gracias a la presencia de titanio
Resistencia a la oxidación	Forma una capa protectora de óxido que proporciona una buena resistencia a la oxidación hasta 750°C
Coste	Más caras que las aleaciones de titanio pero más baratas que las de níquel

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:

Elemento de aleación	Gama de composición	Papel
Titanio (Ti)	52-56%	Elemento básico primario
Aluminio (Al)	44-48%	Principal elemento de aleación con Ti
Niobio (Nb)	Hasta 2%	Aumenta la fuerza y la resistencia a la fluencia
Cromo (Cr)	Hasta 2%	Aumenta la resistencia a la oxidación
Boro (B)	Hasta 0,2%	Mejora la ductilidad
Carbono (C)	Hasta 0,1%	Aumenta la fuerza
Silicio (Si)	0.1-1%	Mejora la resistencia a la oxidación
Tungsteno (W)	0.1-1%	Refina el tamaño del grano
Molibdeno (Mo)	0.1-1%	Aumenta la fuerza

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

Propiedad	Valor	Descripción
Resistencia a la tracción	500 - 1100 MPa	Resistencia muy elevada en comparación con las aleaciones de titanio
Límite elástico (0,2% offset)	400 - 1000 MPa	Medida de la resistencia elástica en aleación
Resistencia a la compresión	600 - 1500 MPa	Excelente resistencia a la compresión
Resistencia a la fluencia	100 - 350 MPa	Capacidad para soportar cargas a altas temperaturas
Resistencia a la fractura	15 - 35 MPa√m	La resistencia a la propagación de grietas es inferior a la de las aleaciones de níquel

Propiedades físicas

Propiedad	Valor
Densidad	3,7 - 4,1 g/cm3
Punto de fusión	1360°C - 1460°C
Conductividad térmica	6 - 25 W/mK
Resistividad eléctrica	150 - 250 μΩ.cm
Coeficiente de dilatación térmica	11 - 13 x 10-6 /K

Propiedades mecánicas a temperatura ambiente

Propiedad	Valor	Descripción
Dureza	300 - 400 HV	Medida de la resistencia a la indentación
Módulo de Young	150 - 160 GPa	Medida de la rigidez
Módulo de cizallamiento	60 - 65 GPa	Medida de rigidez
Relación de Poisson	0.25 – 0.34	Relación entre la deformación en las direcciones perpendicular y paralela a la carga aplicada
Maquinabilidad	Difícil	Difícil de mecanizar en comparación con los aceros

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:

Aplicación	Aleaciones TiAl	Materiales alternativos
Motores de avión	✅ Su excelente relación resistencia/peso hasta 750°C lo hace adecuado para álabes, paletas y ejes.	Las superaleaciones de níquel son más resistentes a la temperatura, pero más pesadas.
Turbocompresores de automoción	✅ Buen equilibrio entre alta resistencia, resistencia a la temperatura y menor densidad que las aleaciones de níquel.	Las aleaciones de níquel soportan picos de temperatura más elevados
Aeronaves	✅ 20-35% más ligero que las aleaciones de titanio con resistencia equivalente para alas, colas y fuselaje de aviones.	Las aleaciones de titanio ofrecen mayor resistencia a la fractura
Implantes biomédicos	✅ Contiene titanio que permite una unión natural con el hueso humano	Acero inoxidable, aleaciones de cobalto y cromo también de uso común

Normas y especificaciones del sector

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

Estándar	Descripción
AMS 4928	Especificación estándar para chapas, tiras y placas de aleación de aluminuro de titanio gamma
AMS 4965	Norma para aleaciones de aluminuro de titanio gamma procesadas por pulvimetalurgia
AMS 4972	Especificación normalizada para barras, alambrón y alambre de aluminuros de titanio alfa-beta o beta
ISO 21365	Especificación para aleaciones estructurales gamma TiAl
ASTM B381	Clasificación estándar de las aleaciones de titanio-aluminio-vanadio para implantes quirúrgicos

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:

Proveedor	Grados ofrecidos	Métodos de producción
VSMPO	Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W	Fundición a la cera perdida<br>Forja
ATI	Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb	Fundición de precisión<br>Pulvimetalurgia
Precision Castparts Corp	Aleaciones personalizadas	Fundición a la cera perdida
Plansee	Aleaciones gamma TiAl	Pulvimetalurgia

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:

Grado	Estimación de precios
Ti-48Al-2Cr-2Nb	$85 - $125 por kg
Ti-47Al-2W-0,5Si	$100 - $150 por kg
Aleaciones de TiAl a medida	$150 - $250 por kg

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:

Parámetro	Aleaciones TiAl	Superaleaciones de níquel	Aleaciones de titanio
Resistencia a altas temperaturas	Bueno hasta 750°C	Excelente por encima de 900°C	Pobre por encima de 500°C
Densidad	✅ Más bajo	Más alto	Comparable
Resistencia a la oxidación	Bueno hasta 750°C	✅ Mejor por encima de 800°C	Pobre por encima de 550°C
Coste	✅ Inferior	Más alto	Más alto
Trabajabilidad	Pobre	Bien	✅ Mejor
Tolerancia al daño	Pobre	Bien	Excelente

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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