Titanio Ti-64 para impresión 3D de metales

titanio ti-64 para impresión 3d metalTi-64, es una aleación de titanio de grado aeroespacial ampliamente utilizada para aplicaciones críticas de fabricación aditiva en los sectores aeroespacial, médico, de automoción y de ingeniería en general. Esta guía ofrece una visión general técnica de la pulvimetalurgia del Ti-64, incluida su composición, datos sobre propiedades mecánicas, detalles del procesamiento AM, postratamientos, aplicaciones, análisis de costes, especificaciones del producto y comparaciones con otros grados de titanio alternativos.

Visión general del titanio ti-64 para la impresión 3D de metales

La aleación de titanio Ti-6Al-4V (grado 5) ofrece un equilibrio óptimo entre resistencia, tenacidad a la fractura y resistencia a la corrosión, además de una biocompatibilidad demostrada, lo que la convierte en el material más utilizado para componentes metálicos impresos en 3D de misión crítica en todos los sectores.

A medida que la AM pasa de la creación de prototipos a la producción en serie de componentes aeroespaciales listos para volar e implantes específicos para pacientes, el Ti-64 se ha convertido en el polvo de referencia con el que se comparan los nuevos materiales.

Ofrece:

• Excelente relación resistencia-peso
• Elevada dureza y resistencia a la fractura de hasta 550 MPa
• Ductilidad para geometrías complejas
• Biocompatibilidad y no toxicidad
• Pedigrí probado durante décadas
• Cadena de suministro disponible y rentabilidad

Siga leyendo para obtener información técnica detallada sobre los métodos pulvimetalúrgicos para fabricar piezas de titanio Ti-64 impresas en 3D.

Composición y diseño de la aleación

La aleación de titanio Ti-64 comprende predominantemente titanio con adiciones de aluminio y vanadio:

Los oligoelementos como el carbono, el nitrógeno y el hidrógeno se reducen al mínimo, ya que degradan las propiedades mecánicas. Las concentraciones de hierro y oxígeno también se mantienen bajas.

El aluminio estabiliza la fase alfa, mientras que el vanadio forma precipitados beta reforzantes tras un tratamiento térmico adecuado. Esta doble fase de borgenización proporciona un excelente rendimiento.

Propiedades clave del Ti-64

• Límite elástico: 880 MPa
• Resistencia a la tracción: 950 MPa
• Elongación: 14%
• Dureza: 350 Brinell
• Límite de fatiga: 500 MPa
• Resistencia a la fractura: 75 MPa√m
• Resistencia al corte: 690 MPa
• Módulo de Young: 115 GPa
• Densidad 4,43 g/cc
• Punto de fusión: 1604°C

Estas propiedades dependen en gran medida de un tratamiento térmico adecuado, del que hablaremos más adelante. Los valores también varían ligeramente entre los procesos de AM por hilo y por lecho de polvo, por lo que es necesario ajustar los parámetros.

titanio ti-64 para impresión 3d metal Producción

Las aplicaciones médicas y aeroespaciales requieren controles estrictos para conseguir construcciones sin defectos, por lo que la fabricación de polvo sigue unas especificaciones estrictas:

Características destacadas:

• Morfología esférica de las partículas con pocos satélites
• Polvo fluido sin grumos ni apelmazamiento
• Banda PSD controlada con distribución mayoritaria entre 15 micras y 45 micras
• Productos químicos conformes a las normas ASTM F2924 y F3001
• Lotes coherentes con datos de repetibilidad en grandes volúmenes de producción
• Documenta la trazabilidad de las coladas de lingotes de origen

Este riguroso control de la producción garantiza impresiones fiables y sin defectos tras los ajustes validados de los parámetros de la máquina.

Aplicaciones del titanio ti-64 para la impresión 3D de metales

La biocompatibilidad de esta aleación y su elevada relación resistencia-peso son idóneas para numerosas aplicaciones críticas:

Aeroespacial

• Soportes estructurales, mamparos y piezas del tren de aterrizaje
• Álabes e impulsores de turbina
• Componentes interiores de aeronaves

Medicina y odontología

• Implantes ortopédicos como articulaciones de rodilla y cadera y jaulas espinales
• Pilares y puentes dentales
• Instrumental quirúrgico que requiere esterilización

Automoción

• Pistones ligeros, biela
• Componentes de automóviles de lujo y de competición, incluidas las válvulas

Procesado químico

• Piezas de conducción de fluidos resistentes a la corrosión, como tuberías, válvulas
• Filtros y carcasas que cumplen la normativa alimentaria y farmacéutica

La Ti-64 impresa en 3D también se adopta cada vez más en sectores de alto valor como la robótica, los artículos deportivos y la gestión térmica de la electrónica, aprovechando la libertad de diseño.

A continuación, profundizaremos en las técnicas de fusión de lecho de polvo más utilizadas para procesar este versátil polvo de aleación para componentes acabados de misión crítica.

Impresión 3D de metales con polvo de titanio Ti-64

Tanto la tecnología de lecho de polvo láser como la de haz de electrones funden Ti-64 a densidad completa en una placa de impresión capa a capa:

Fusión de lecho de polvo láser (L-PBF)

• Fusión selectiva por láser (SLM) y sinterizado directo de metales por láser (DMLS)
• Láseres de fibra Yb o Nd:YAG focalizados de alta potencia
• Atmósfera inerte de argón con niveles de oxígeno inferiores a 500 ppm
• Control óptico en tiempo real de los crisoles de fusión

Fusión por haz de electrones en lecho de polvo (E-PBF)

• Potente haz de electrones de 60 kV a 150 kV en vacío
• Velocidades de barrido del haz ultrarrápidas superiores a 25.000 mm/seg.
• Alta productividad para componentes pequeños
• Una penetración más profunda suelda el titanio más fácilmente

Para piezas más grandes, los métodos de deposición de energía dirigida (DED) alimentados por hilo permiten añadir material sobre estructuras base. Múltiples métodos de AM permiten optimizar la mecánica y el acabado superficial.

Beneficios

• Geometrías complejas no soportadas en fundición o mecanizado
• Reducción de los plazos de entrega y de los costes frente a los pasos sustractivos
• Mínimo desperdicio de material y ratios de compra a vuelo superiores a 90%
• Resultados constantes en series largas una vez ajustados
• La libertad de diseño permite aumentar el rendimiento

Sin embargo, para aprovecharlos, es vital un meticuloso tratamiento previo y posterior.

Pasos previos y posteriores al tratamiento

Conseguir construcciones sin defectos implica protocolos integrados:

Preprocesamiento

• Matrices de prueba de optimización de parámetros en máquinas específicas
• Control de las condiciones del polvo y reutilización de las proporciones de mezcla
• Tratamientos térmicos iniciales para garantizar la uniformidad de las características de las partículas
• Anidamiento y orientación cuidadosos de las piezas en la placa de montaje

Tratamiento posterior

• Extracción de piezas de la chapa mediante electroerosión por hilo / sierra de cinta
• Amplio mecanizado y acabado posterior
• Prensado isostático en caliente (HIP) para eliminar los huecos internos
• Tratamientos térmicos de solubilización, envejecimiento y estabilización
• Pruebas finales de validación de la garantía de calidad

Estos exhaustivos controles de procesamiento permiten aprovechar todo el potencial de la fabricación aditiva con Ti-64 más allá de depender únicamente de las impresoras.

Especificaciones

Los lotes de aleación Ti-64 para usuarios médicos o aeroespaciales requieren certificación:

El cribado personalizado en bandas más estrechas es posible, pero aumenta el coste. El ajuste de los parámetros de la máquina AM del cliente y los controles de calidad aprobados garantizan la repetibilidad del rendimiento en todos los trabajos de producción.

titanio ti-64 para impresión 3d metal Disponibilidad y análisis de costes

El Ti-6Al-4V de grado aeroespacial tiene un coste superior al de los grados de Ti estándar gracias a la fusión especializada, las rigurosas pruebas de control de calidad y la ingeniería de la forma del polvo:

Los costes siguen siendo elevados, pero continúan mejorando a medida que la AM aumenta el uso de la aleación Ti-64, lo que permite optimizar la fabricación por economía de escala. Ahora pueden adquirirse pequeñas muestras de I+D sin MOQ, pero los trabajos de producción requieren previsiones de pedido.

Comparación entre Ti-64 y otras aleaciones de titanio

Aunque Ti-64 es la más adoptada, otras calidades compiten ahora como opciones alternativas de AM:

Las principales ventajas del Ti-64 convencional son:

• Material de probada calidad desde hace más de 30 años
• Acabados superficiales más suaves en construcciones AM
• Protocolos de tratamiento térmico establecidos
• Datos admisibles para la cualificación del diseño
• Disponibilidad inmediata y oferta competitiva

Limitaciones de Ti-64:

• No es el titanio de mayor resistencia
• Susceptible de oxidación térmica sin controles
• Requiere un extenso prensado isostático en caliente (HIP)

Por lo tanto, cada una de las compensaciones descritas ayuda a seleccionar los grados optimizados según los requisitos de la aplicación.

Resumen

La fabricación aditiva ofrece a los ingenieros una libertad sin precedentes para diseñar componentes de titanio Ti-64 de alto rendimiento que no pueden igualar las técnicas tradicionales. Combinando las nuevas capacidades digitales con amplios datos de materiales validados a lo largo de más de 30 años de aplicaciones aeroespaciales y médicas, los ingenieros pueden desplegar nuevas e innovadoras geometrías impresas en 3D aprovechando las ventajas del Ti-64 con un riesgo de cualificación reducido. Sin embargo, para aprovechar todo el potencial de esta versátil aleación de alta resistencia, siguen siendo vitales los controles meticulosos en la fabricación del polvo, la manipulación del almacenamiento, el procesamiento metálico AM y los postratamientos.

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