Esponja de titanio en polvo
Índice
Esponja de titanio en polvo es un material clave utilizado como materia prima para la fabricación de componentes y productos de titanio metálico. Esta vía pulvimetalúrgica ofrece varias ventajas frente a la extracción a partir de minerales. Este artículo ofrece una visión general de la esponja de titanio, incluyendo su composición, características clave, métodos de procesamiento, aplicaciones, proveedores y más.
Descripción general de la esponja de titanio en polvo
La esponja de titanio es la forma porosa del titanio no aleado que constituye la materia prima utilizada en pulvimetalurgia para producir componentes metálicos de titanio. Se prepara reduciendo el tetracloruro de titanio (TiCl4) derivado de minerales con magnesio o sodio.
Las partículas de esponja tienen una superficie y una reactividad elevadas, lo que permite convertirlas fácilmente en polvos, lingotes, productos de molienda y piezas mediante procesos como la refundición por arco en vacío (VAR), el prensado isostático en caliente (HIP), la fabricación aditiva, el moldeo por inyección de metales y la forja de polvos.
A continuación encontrará un resumen de las propiedades del polvo de esponja de titanio, aplicaciones, producción mundial, precios, etc.
Esponja de titanio en polvo - Detalles clave
| Parámetro | Detalles |
|---|---|
| Composición | Titanio no aleado (titanio >99%) |
| Forma de las partículas | Partículas esponjosas porosas de forma irregular |
| Tamaño de las partículas | Tamaño típico <15 mm |
| Pureza | >=98%, puede llegar hasta 99,9% |
| Densidad | 2,2 - 2,7 g/cc |
| Punto de fusión | 1668°C |
| Propiedades clave | Baja densidad, alta resistencia, excelente resistencia a la corrosión incluso a altas temperaturas |
| Principales aplicaciones | Materia prima para polvos metálicos de titanio, productos de molienda, fabricación aditiva |
| Producción mundial anual | ~300.000 toneladas, 75.000 en EE.UU. y 100.000 en China |
| Coste | ~$8-15 por kg para la esponja de grado CP-Ti |
La esponja de titanio permite la producción económica de componentes de titanio mediante técnicas de metalurgia de polvos y forma casi neta, en comparación con la metalurgia tradicional de lingotes, que implica múltiples pasos de fusión y soldadura con un elevado desperdicio de material.
A continuación, examinamos con más detalle la composición y las características del polvo de esponja de titanio.
Composición de Esponja de titanio en polvo
El polvo de esponja de titanio está formado por agregados porosos de titanio metálico que contienen pequeñas cantidades de impurezas como cloruros, magnesio, hierro, silicio, nitrógeno, carbono y oxígeno. La esponja de alta pureza con bajo contenido en O y N es necesaria para aplicaciones aeroespaciales críticas.
Composición de la esponja de titanio
| Elemento | Peso % |
|---|---|
| Titanio (Ti) | 98 – 99.9% |
| Oxígeno (O) | 0.08 – 0.45% |
| Nitrógeno (N) | 0.02 – 0.15% |
| Carbono (C) | 0.04 – 0.16% |
| Hierro (Fe) | 0.15 – 0.5% |
| Cloruro (Cl) | 0.10 – 0.30% |
La norma ASTM International ASTM B837 especifica los requisitos para la esponja de titanio sin alear de pureza comercial basados en el grado de la esponja de la siguiente manera:
Especificación ASTM para grados de esponja de titanio
| Grado | Contenido en titanio | Contenido de oxígeno | Contenido en hierro | Contenido de nitrógeno |
|---|---|---|---|---|
| CP Ti Grado 1 | 99,2% min | 0,40% máx | 0.20% máx. | 0,03% máx |
| CP Ti Grado 2 | 98.9-99.5% | 0,25% máx | 0,30% máx | 0,05% máx |
| CP Ti Grado 3 | 98.3-99.2% | 0,35% máx | 0,30% máx | 0,05% máx |
| CP Ti Grado 4 | 97.75-99.2% | 0,40% máx | 0,50% máx | 0,05% máx |
El polvo esponjoso de mayor pureza con bajos niveles controlados de O y N es necesario para aplicaciones críticas como los componentes de motores aeronáuticos. Es entonces cuando se especifican grados con titanio 99,5%+ como Ti-6Al-4V Grado 5 o Grado 23.
A continuación, examinamos las propiedades clave de la esponja de titanio que la convierten en un excelente material de ingeniería para todos los sectores.
Propiedades del polvo de esponja de titanio
El titanio es muy apreciado por su combinación única de baja densidad y alta resistencia, incluso a temperaturas superiores a 500 °C. También ofrece una excelente resistencia a la corrosión en entornos agresivos. También ofrece una excelente resistencia a la corrosión en entornos agresivos.
Las propiedades clave del polvo de esponja de titanio son:
Propiedades de la esponja metálica de titanio
| Propiedad | Detalles |
|---|---|
| Densidad | 4,5 g/cm3, casi la mitad que el acero y las aleaciones de níquel |
| Resistencia a la tracción | 340-450 MPa para los grados CP, superior para las aleaciones de Ti |
| Límite elástico | 170-380 MPa para esponjas de grado CP |
| Punto de fusión | 1668 ± 10°C |
| Módulo de Young | 100-115 GPa, inferior al acero |
| Relación de Poisson | 0.32-0.34 |
| Coeficiente de dilatación térmica | 8,5 x 10-6 /K (20-100°C) |
| Conductividad térmica | 6,7-21 W/m.K a 20°C |
| Resistividad eléctrica | 420-470 nΩ.m a 20°C |
| Magnetismo | No magnético |
| Resistencia a la corrosión | Excelente gracias a la capa protectora de óxido |
| Biocompatibilidad | Material altamente bioinerte |
La combinación de bajo peso, alta resistencia a bajas y altas temperaturas, resistencia a la corrosión y al calor hace que el titanio sea indispensable en las industrias aeroespacial, química, de generación de energía, automovilística, marina y biomédica, entre otras.
A continuación, examinamos algunas de las principales aplicaciones y usos del polvo de esponja de titanio en las distintas industrias.
Aplicaciones de Esponja de titanio en polvo
Las principales aplicaciones industriales de la esponja de titanio incluyen los siguientes sectores:
Aplicaciones del polvo de esponja de titanio
| Sector | Aplicaciones |
|---|---|
| Aeroespacial | Componentes de motores a reacción y fuselajes, palas, fijaciones, trenes de aterrizaje |
| Generación de energía | Componentes para turbinas de vapor y de gas, intercambiadores de calor |
| Tratamiento químico | Depósitos, recipientes, intercambiadores de calor, tuberías, bombas |
| Marina | Componentes para buques, submarinos y plataformas marinas |
| Automoción | Bielas, válvulas, muelles, fijaciones, escapes |
| Biomédica | Implantes, prótesis, instrumentos quirúrgicos, dispositivos |
| Petróleo | Sartas de perforación, componentes del sistema de cabeza de pozo |
| Artículos deportivos | Palos de golf, raquetas de tenis, bicicletas |
| Militar | Aeronaves, buques, productos blindados |
| Desalinización | Intercambiadores de calor, recipientes a presión, tubos |
El uso del titanio sigue creciendo a un ritmo constante del 8-10% en sectores como el aeroespacial, el procesamiento químico, la generación de energía y la desalinización del agua de mar. Se prevé que la demanda del mercado aumente de las 300.000 toneladas actuales a unas 575.000 toneladas en 2030.
Veamos las distintas formas de productos derivados del polvo de esponja de titanio.
Tipos y formas del polvo de titanio
El polvo metálico de titanio y los productos molidos se fabrican a partir de materias primas esponjosas mediante procesos como la refundición por arco en vacío (VAR), el prensado isostático en caliente (HIP), la fabricación aditiva (AM), el moldeo por inyección de metal (MIM) y otros.
Productos de titanio en polvo derivados de la esponja
| Forma | Detalles |
|---|---|
| Polvo de hidruro de hidruro (HDH) | Polvo de forma irregular de tamaño <150 μm |
| Polvo esférico atomizado con gas | Tamaño esférico 15-150 μm utilizado en AM |
| Polvos prealeados aleados | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, etc. |
| Lingotes VAR, palanquillas | Lingotes refundidos y productos forjados |
| Productos pulvimetalúrgicos HIP | Piezas personalizadas con forma próxima a la red |
| Materias primas para el moldeo por inyección de metales | Polvos para el proceso MIM |
| Bielas forjadas en polvo | Automoción, aplicaciones marinas |
| Materias primas para la fabricación aditiva | Lecho de polvo láser, deposición directa por láser |
Estos productos se transforman en componentes acabados y productos finales para diversas industrias.
A continuación, examinamos el proceso de fabricación y los aspectos de la cadena de suministro del polvo de esponja metálica de titanio.
Proceso de fabricación de la esponja de titanio
El polvo de esponja de titanio se produce comercialmente mediante la reducción del tetracloruro de titanio (TiCl4) utilizando sodio o magnesio bajo estrictos controles de proceso. El TiCl4 se produce
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Los pasos básicos para la producción de esponja de titanio son:
Proceso de fabricación de la esponja de titanio
- Extraer dióxido de titanio (TiO2) de minerales
- Convertir el TiO2 en tetracloruro de titanio (TiCl4) mediante el proceso del cloruro.
- Reducir TiCl4 con magnesio/sodio al vacío a 800-850°C
- Difundir las sales y condensar titanio puro.
- Procesamiento de la esponja porosa de titanio mediante trituración, limpieza y tamizado
En esponja de titanio en polvo es altamente reactivo y pirofórico. Por eso se manipula y almacena en atmósferas inertes, como el argón, para evitar riesgos de ignición y explosión.
Las partículas porosas de esponja de forma irregular tienen una relación superficie/volumen muy elevada, lo que permite una desgasificación, compactación y aleación eficaces durante las fases posteriores de fusión y consolidación del polvo.
Alrededor de 75% de la producción de esponja de titanio se utiliza para fabricar productos de titanio molido. Las 25% restantes se utilizan para producir polvos de titanio para aplicaciones de fabricación aditiva y pulvimetalurgia.
Producción mundial y principales proveedores
Actualmente, la producción mundial de esponja de titanio ronda las 300.000 toneladas métricas anuales. Estados Unidos y China concentran casi 60% de la producción mundial.
Algunos de los principales fabricantes de esponja de titanio a escala mundial son:
Principales fabricantes de esponja de titanio
| Empresa | Ubicación | Capacidad |
|---|---|---|
| VSMPO-Avisma | Rusia | 52.000 toneladas |
| Titanio occidental | EE.UU. | 30.000 toneladas |
| Toho Titanio | Japón | 20.000 toneladas |
| UKTMP JV | Kazajstán | 30.000 toneladas |
| Instituto del Noroeste de NTM | China | 20.000 toneladas |
| ZTMC | China | 15.000 toneladas |
EE.UU. ha propuesto restricciones a las exportaciones de titanio a Rusia y China por motivos estratégicos en el sector aeroespacial. Esto podría reestructurar las cadenas de suministro e impulsar la expansión de la producción en otras regiones.
En general, se prevé un aumento de la capacidad instalada en todo el mundo, con oportunidades de crecimiento para los fabricantes y comerciantes de esponja de titanio que atienden a diversas industrias usuarias.
Análisis de costes y tendencias de precios
Esponja de titanio en polvo Los precios varían entre $8-16 por kg en función de la cantidad suministrada, el grado/calidad, la geografía, los plazos de entrega, los contratos a largo plazo y otros factores comerciales.
Gama de precios de la esponja de titanio
| Grado | Precio por kg |
|---|---|
| CP Grado 1 | $8 – 12 |
| CP Grado 2 | $10 – 14 |
| CP Grado 3 | $12 – 15 |
| CP Grado 4 | $10 – 16 |
| Ti 6Al-4V Grado 5, Grado 23 | $14 – 20 |
Los precios subieron mucho en 2022 debido a la fuerte recuperación de la demanda en el sector aeroespacial y otros sectores tras la pandemia, así como al aumento de los costes de la energía, las materias primas y la logística.
Sin embargo, se espera cierta moderación a partir de mediados de 2023 con el aumento de la capacidad mundial de esponja. Las perspectivas generales del sector siguen siendo positivas, y se prevé que la demanda de esponja de titanio crezca a un ritmo constante de 6-8% CAGR durante la próxima década.
Preguntas frecuentes
Q. ¿Qué es la esponja de titanio?
La esponja de titanio es una forma porosa de metal de titanio de gran pureza en forma de polvo que se utiliza como materia prima para fabricar productos de titanio molido, polvos y piezas en diversas industrias.
Q. ¿Cómo se produce el polvo de esponja de titanio?
Se produce comercialmente mediante la reducción de tetracloruro de titanio (TiCl4) derivado de minerales utilizando magnesio o sodio metálico en condiciones estrictamente controladas.
Q. ¿Qué aplicaciones tiene la esponja de titanio?
Sus principales aplicaciones son los motores y fuselajes aeroespaciales, las centrales eléctricas, las plantas químicas, los equipos marinos y los implantes y dispositivos biomédicos. Sirve a industrias que necesitan componentes metálicos de alta resistencia, bajo peso y resistentes a la corrosión.
Q. ¿Cuáles son las ventajas del titanio frente al acero?
En comparación con el acero, el titanio ofrece una mayor relación resistencia-peso, propiedades superiores a altas temperaturas, respuesta no magnética y una resistencia a la corrosión mucho mayor, lo que beneficia a las aplicaciones más exigentes.
Q. ¿Quiénes son los principales fabricantes de esponja de titanio?
Entre los principales productores mundiales figuran VSMPO-Avisma, Western Titanium, Toho Titanium, UKTMP JV, Northwest Institute of NTM, ZTMC, con capacidades que oscilan actualmente entre 15.000 y 50.000 toneladas métricas anuales.
Q. ¿Cuál es el precio de la esponja de titanio por kg?
Los precios varían entre $8-16 por kg en función del grado, el tamaño del pedido, las zonas geográficas, el calendario de entregas y otros factores comerciales. Los contratos plurianuales también influyen en los precios efectivos para compradores y vendedores.
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