Carburo de titanio en polvo

El polvo de carburo de titanio es un material cerámico extremadamente duro que se utiliza en diversas aplicaciones industriales que requieren gran dureza, resistencia al desgaste, conductividad térmica y estabilidad química a temperaturas extremas. Este artículo proporciona una referencia técnica exhaustiva sobre el polvo de TiC que abarca propiedades, métodos de fabricación, aplicaciones, proveedores, especificaciones, grados y mucho más.

Visión general de Carburo de titanio en polvo

El polvo de carburo de titanio (TiC) está compuesto de carbono y titanio, normalmente con pequeñas cantidades de otros elementos metálicos. Tiene un punto de fusión extremadamente alto de 3140°C y una dureza elevada cercana a la del nitruro de titanio. Algunas de sus propiedades y características clave son

Tabla 1: Propiedades y características del polvo de carburo de titanio

Algunas de las principales ventajas del polvo de carburo de titanio son su extrema dureza y resistencia al desgaste, el mantenimiento de la resistencia mecánica por encima de 3100°C y su inercia química. Las desventajas son la fragilidad y la menor resistencia a la oxidación por encima de 800 °C en comparación con otros carburos.

Métodos de fabricación

El polvo de carburo de titanio puede producirse mediante varios procesos de fabricación:

Tabla 2: Métodos de fabricación de polvo de carburo de titanio

Los factores clave en la selección de un método de producción incluyen las características requeridas del polvo, como el tamaño de las partículas, la forma, los niveles de pureza y el coste.

Aplicaciones de Carburo de titanio en polvo

Algunas de las principales aplicaciones del polvo de carburo de titanio son:

Tabla 3: Aplicaciones industriales del carburo de titanio en polvo

El carburo de titanio crea compuestos ligeros como TiC-Ni y TiC-Co con una dureza y resistencia al desgaste extremas, adecuados para las aplicaciones mecánicas y de alta temperatura más exigentes.

Es muy valorado por las siguientes capacidades:

• Mantiene la resistencia a más de 3100°C - conserva las propiedades donde los aceros y carburos fallan
• Su extrema dureza resiste el desgaste por abrasión incluso a altas temperaturas
• La baja expansión térmica contribuye a la resistencia al choque térmico
• Resiste la erosión, la corrosión y los ataques químicos

Especificaciones y grados

El polvo de carburo de titanio está disponible en especificaciones estándar y personalizadas:

Tabla 4: Especificaciones y grados del polvo de carburo de titanio

Grados:

• Grado nuclear >99% TiC
• Grado estructural 89-92% TiC
• Grado metalúrgico 70-75% TiC

Los grados nucleares de mayor pureza tienen menos contaminantes de carbono libre, hierro y níquel. El TiC estructural tiene mayor dureza y granos gruesos uniformes.

Normas y métodos de ensayo

Los productos de carburo de titanio en polvo deben cumplir diversas normas de aplicación en cuanto a composición, impurezas, distribución del tamaño de las partículas y otros parámetros específicos del uso final. Algunas normas comunes son:

Tabla 5: Normas y métodos de ensayo para el TiC en polvo

Estas normas ayudan a garantizar la fiabilidad del producto en diferentes lotes de producción y múltiples proveedores. Tanto los proveedores como los usuarios finales utilizan con frecuencia técnicas analíticas adicionales como SEM, EDX, XRD y análisis láser del tamaño de las partículas para caracterizar los materiales en detalle.

Proveedores y precios

El polvo de carburo de titanio está disponible comercialmente a través de muchos de los principales proveedores del mundo. Algunos de los principales fabricantes son:

Tabla 6: Proveedores seleccionados de polvo de carburo de titanio

Los precios pueden variar mucho:

• Polvo de TiC de calidad nuclear - $1800+ por kg
• Polvo de TiC de calidad estructural - $20-100 por kg
• Lingotes de TiC para productos HIP - $50-200 por kg

El precio exacto depende de los niveles de pureza, las especificaciones de tamaño de las partículas, las cantidades de compra, etc.

Comparación de Carburo de titanio en polvo a Alternativas

Tabla 7: Comparación del polvo de carburo de titanio con cerámicas duras alternativas

Diferencias clave:

• El carburo de wolframio tiene mayor tenacidad
• El carburo de silicio es más resistente a la oxidación
• El carburo de titanio soporta temperaturas extremadamente altas
• El carburo de titanio ofrece el mejor rendimiento general

Ventajas y limitaciones

Tabla 8: Ventajas frente a limitaciones del polvo de carburo de titanio

Aplicaciones clave en profundidad

El carburo de titanio permite mejorar de forma excepcional el rendimiento en todos los sectores, desde el aeroespacial y la automoción hasta la fabricación y la energía. Esta sección explora algunas aplicaciones clave que ponen de relieve las propiedades superiores del carburo de titanio.

Aplicaciones aeroespaciales

Las aplicaciones aeroespaciales exigen materiales que resistan entornos extremos. El carburo de titanio mantiene su resistencia a más de 3000 °C, resiste el choque térmico y no se degrada tras repetidos ciclos de calentamiento, propiedades ideales para componentes de aviones hipersónicos.

Materiales y revestimientos de vanguardia

Los compuestos de carburo de titanio TiC-Ni y TiC-Co permiten que los afilados bordes de ataque de las alas de los vehículos hipersónicos resistan un intenso calentamiento por fricción durante la reentrada atmosférica hasta los 3200 °C. Su rendimiento es muy superior al de los compuestos tradicionales de grafito o de matriz cerámica.

Además, los revestimientos de carburo de titanio aplicados mediante deposición química en fase vapor (CVD) o deposición física en fase vapor (PVD) protegen las superficies de las alas, las tomas del motor y otros componentes de la oxidación y el desgaste abrasivo a velocidades superiores a Mach 5.

Sistemas de protección térmica

Los sistemas de protección térmica (TPS) reutilizables de las naves espaciales soportan oscilaciones extremas de temperatura, desde -150 °C en el espacio hasta 1650 °C durante la reentrada. El carburo de titanio mantiene su resistencia en este intervalo y resiste mejor que otras cerámicas las fisuras por fatiga térmica tras exposiciones repetidas.

Por ejemplo, el avión espacial X-37B utiliza una capa de TiC en su TPS para proteger la estructura subyacente del vehículo. Los abladores de TiC también aíslan las toberas de los cohetes y los motores hipersónicos scramjet de gases de escape que alcanzan más de 3.300 °C.

Frenos de avión

Los frenos de carbono de los aviones a reacción deben soportar más de 700°C durante los aterrizajes a velocidades de 160 nudos. Sin embargo, el carbono se oxida con facilidad, lo que provoca la formación de polvo y un desgaste prematuro.

La sustitución de los componentes de carbono por rotores y estatores de carburo de titanio prolonga drásticamente la vida útil de las piezas y aumenta las temperaturas de frenado permitidas hasta 1.150 °C, lo que se traduce en sistemas de frenado más ligeros en general.

Armamento

El metal fundido destruye rápidamente los revestimientos tradicionales de los cañones, provocando un desgaste desigual o explosiones. Sin embargo, los revestimientos de carburo de titanio rociados con plasma resisten excepcionalmente bien la erosión del metal y permiten el disparo sostenido de armamento de alto calibre más allá de las temperaturas normales de funcionamiento con un desgaste mínimo.

Usos en automoción

Los fabricantes de automóviles investigan constantemente materiales para construir coches y camiones más rápidos, seguros y ligeros. La industria automovilística utiliza mucho el carburo de titanio para blindajes, frenos y componentes del motor.

Blindaje de vehículos

Los vehículos militares utilizan compuestos cerámicos de carburo de titanio como el TiC-Kevlar en lugar del acero tradicional para el blindaje balístico. Esto reduce el peso en 30% al tiempo que aumenta los niveles de protección contra las amenazas de perforación de blindaje.

Los laminados cerámicos con una cara de impacto de TiC dispersan y deforman mejor los proyectiles entrantes que las placas metálicas. Un blindaje más ligero mejora la movilidad de los vehículos y la eficiencia del combustible, fundamentales para las misiones de combate.

Discos de freno

La Fórmula 1 y otros vehículos de alto rendimiento utilizan discos de freno de compuesto de matriz cerámica (CMC) de carburo de titanio para soportar las temperaturas extremas de las repetidas fuerzas G de frenado a velocidades máximas de hasta 350 km/h.

Los discos de TiC también mejoran la potencia de frenado y eliminan los problemas de desvanecimiento de los frenos que afectan a los coches deportivos de alta gama en las carreras. Los sistemas de frenado regenerativo de los vehículos eléctricos también confían en los rotores de carburo de titanio por su extrema tolerancia al calor.

Componentes de desgaste

El carburo de titanio prolonga la vida útil de los componentes del motor sometidos a altas cargas y propensos a la abrasión a temperaturas superiores a 1.000 ºC. Por ejemplo, la sustitución de las válvulas y los insertos de manguito de pistón de acero tradicionales por versiones de TiC consigue tiempos de funcionamiento 50-100% más largos antes de que el desgaste alcance los límites de fallo.

En los orificios revestidos de los motores, el TiC supera a los revestimientos de pulverización térmica de carburo de níquel utilizados actualmente. Esto permite mayores presiones máximas y temperaturas de combustión para aumentar la eficiencia del combustible.

Herramientas de corte

Los principales proveedores de herramientas de corte ofrecen una amplia gama de plaquitas, brocas, fresas y herramientas especiales con un sustrato de carburo de titanio aglomerado con otros carburos, cerámicas o recubrimientos de diamante.

Resistencia al desgaste

El TiC mantiene la dureza por encima del punto de reblandecimiento de los aceros para herramientas convencionales, en torno a los 600 ºC, lo que permite mayores velocidades de arranque de material, mayores velocidades de corte y menor desgaste en aplicaciones de mecanizado en seco a alta velocidad.

Propiedades térmicas

La alta conductividad térmica evita los puntos calientes localizados durante los cortes interrumpidos que provocan la rotura de la herramienta. El TiC también presenta una dilatación térmica mínima igual a la del diamante, lo que es fundamental para la microfabricación de herramientas de precisión.

Mejoras de rendimiento

La sustitución de los componentes tradicionales de carburo de tungsteno, como las plaquitas intercambiables, por plaquitas de TiC aumenta la vida útil de la herramienta de 2 a 4 veces con los mismos parámetros de funcionamiento. Alternativamente, las velocidades de corte o los avances pueden aumentarse significativamente con los mismos niveles de desgaste de las plaquitas.

Para aleaciones aeroespaciales de nueva generación difíciles de mecanizar, como Inconel 718, aluminuro de titanio TiAl y compuestos de matriz metálica MMC, el utillaje de carburo de titanio permite opciones de fabricación viables que de otro modo no serían posibles.

Insertos de boquilla

Las boquillas de carburo de titanio soportan flujos de partículas altamente erosivas que manipulan abrasivos desde materiales agrícolas y procesamiento de minerales hasta granallado y sinterización de metal en polvo:

Resistencia a la abrasión

Los insertos para boquillas de TiC utilizados en el procesamiento de alimentos, productos farmacéuticos y productos químicos especiales superan habitualmente a las versiones tradicionales de carburo de tungsteno, carburo de silicio y carburo de cromo en 300 - 500% en flujos de polvo fino extremadamente abrasivos.

Protección a alta velocidad

Los revestimientos de carburo de titanio que contienen vórtices de aire de refrigeración protegen los álabes compuestos de los motores de aviación de la entrada de granalla a velocidades superiores a 650 m/s. Durante las pruebas de contención de álabes, los componentes de TiC sobreviven intactos a las perforaciones de los álabes provocadas por la desintegración de los ventiladores, mientras que otros materiales se fracturan.

Uso a temperaturas extremas

Las boquillas de pulverización de plasma para la producción de circonio fundido, acero y fibra de vidrio constan de tubos de TiC independientes sin refrigeración adicional. El TiC resiste con fiabilidad la corrosión por escorias y los flujos térmicos de eyección de gotas de metal superiores a 3000 °C que destruyen fácilmente las aleaciones de cobalto y níquel.

Aplicaciones nucleares

El carburo de titanio se utiliza ampliamente en la industria de la energía nuclear, desde el revestimiento de combustibles nucleares hasta la protección de la primera pared en reactores de fusión experimentales.

Revestimiento de combustible

Las aleaciones convencionales de revestimiento de combustible de circonio pueden oxidarse, fundirse y liberar isótopos radiactivos durante un accidente de sobrecalentamiento del núcleo del reactor. Sin embargo, los revestimientos de carburo de titanio permiten reacciones más frías y lentas formando una capa pasivante de TiO2 para contener las partículas que escapan, lo que aumenta considerablemente los límites de seguridad.

Componentes de revestimiento de plasma

En el interior de los reactores de fusión experimentales tokamak, los intensos flujos de calor de plasma de 40 MW/m2 erosionan rápidamente las placas de blindaje sólido, ya que las partículas de fusión y los rayos X bombardean continuamente las superficies. Las capas pulverizadas térmicamente o los componentes independientes de TiC soportan mejor estas duras condiciones y tienen una vida útil 2 o 3 veces mayor que las alternativas de tungsteno antes de tener que ser sustituidos.

Contenedores de residuos radiactivos

Tras el reprocesamiento del combustible, los líquidos radiactivos de alto nivel se vitrifican en troncos de vidrio de borosilicato almacenados en bidones resistentes a la corrosión. La total impermeabilidad del carburo de titanio a gases y líquidos durante periodos de tiempo geológicos permite un almacenamiento seguro de larga duración sin fugas al medio ambiente.

Perforaciones petrolíferas y de gas

El carburo de titanio merece una distinción especial por ser el material para insertos de perforación de rocas más duro, caliente y resistente al desgaste jamás desarrollado. Los botones de TC se han convertido en el estándar de oro en la industria de la perforación de petróleo, gas y geotermia, superando a las anteriores soluciones de diamante policristalino compacto (PDC).

Abrasión de rocas por fricción

Las brocas cónicas rotativas utilizadas para la perforación de terrenos profundos hasta 6.000 m de profundidad se enfrentan a presiones extremas en la superficie de la roca y a flujos de calor por fricción de 100 kW durante el corte. Las plaquitas de CT sólido mantienen una dureza superior a 3200 HV en estas condiciones y perforan entre 5 y 10 veces más rápido que los dientes de acero antes de tener que sustituirlos.

Penetración de rocas a alta velocidad

Las empresas de perforación geotérmica y de petróleo/gas especializadas en capas sedimentarias o basálticas duras utilizan exclusivamente brocas de botón de TC, que alcanzan velocidades de penetración hasta 4 veces superiores a las de otros tipos de brocas con una vida útil equivalente.

En resumen: nada corta mejor la roca que el carburo de titanio y resiste las duras condiciones del fondo del pozo.

Conclusión

El carburo de titanio, con una dureza extrema, una resistencia a temperaturas superiores a los 3.000 °C y un alto rendimiento frente al desgaste, ofrece unas propiedades de material excepcionales que no se encuentran en las cerámicas o aleaciones tradicionales de la competencia. El TiC soporta con fiabilidad los extremos térmicos, químicos y mecánicos más violentos en todos los sectores industriales.

Sin embargo, a pesar de las importantes ventajas de rendimiento, el carburo de titanio cuesta menos que otros metales refractarios comparables, como el molibdeno o el tungsteno. Esta combinación única de capacidades y asequibilidad impulsa la creciente utilización del carburo de titanio en los sectores aeroespacial, automovilístico, manufacturero, energético y en las aplicaciones más exigentes a escala mundial.

A medida que la tecnología avance y permita una producción y disponibilidad más fiables, cabe esperar que la penetración del carburo de titanio se acelere aún más. El material define el filo de corte.

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