¿Cómo refuerzan los elementos de aleación las aleaciones de titanio?

Las aleaciones de titanio se refuerzan mediante la incorporación de elementos seleccionados que modifican el comportamiento de la solución sólida, la estabilidad de las fases, la precipitación y la respuesta al tratamiento térmico. El aluminio refuerza principalmente la fase α; el vanadio y el molibdeno estabilizan y refuerzan la fase β del titanio, mientras que el estaño y el circonio contribuyen a la resistencia al calor de las aleaciones. En los apartados siguientes se comparan estos efectos con los del manganeso, el cromo, el silicio, el cobre y los elementos de tierras raras.

Aluminio

Casi todas las aleaciones de titanio, salvo el titanio comercialmente puro, contienen aluminio, principalmente para el endurecimiento por solución sólida. Cada 1% de aluminio, en masa, aumenta la resistencia a la tracción a temperatura ambiente en unos 50 MPa. La solubilidad del aluminio en el titanio está limitada a 7,5%. Por encima de este límite, el Ti ordenado₃Al (α₂) se forma y afecta negativamente a la ductilidad, la tenacidad y el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión, por lo que, por lo general, el aluminio se limita al 7%.

El aluminio mejora la resistencia a la oxidación, reduce la densidad y aumenta la temperatura de recristalización. La adición de 5% puede aumentar la temperatura de recristalización de 600 °C —en el caso del titanio puro— a 800 °C. Refuerza los enlaces atómicos en la solución sólida de titanio y mejora la resistencia a altas temperaturas. En las aleaciones β tratables térmicamente, una cantidad de aluminio de aproximadamente 3% puede suprimir la fase ω fragilizante producida por la descomposición metaestable de la fase β. El aluminio también aumenta la solubilidad del hidrógeno en el α-Ti, lo que reduce la susceptibilidad a la fragilización relacionada con los hidruros.

Circonio y estaño

El estaño, al igual que el circonio, es un elemento neutro y refuerza eficazmente la solución sólida α sin reducir de forma significativa la ductilidad. Mejora la resistencia a la fluencia y es importante en las aleaciones de titanio resistentes al calor.

El circonio presenta una alta solubilidad tanto en el Ti-α como en el Ti-β y suele añadirse junto con otros elementos para reforzar aún más la aleación. El circonio y el estaño contribuyen a que las aleaciones resistentes al calor de tipo «single-α» alcancen una mayor resistencia al calor y a la fluencia con una menor pérdida de ductilidad que el aluminio, lo que favorece una buena conformabilidad y soldabilidad. El estaño también reduce la sensibilidad a la fragilización por hidrógeno. A concentraciones excesivas, el Ti ordenado₃El Sn se precipita y reduce la ductilidad y la estabilidad térmica.

Vanadio y molibdeno

El vanadio es un elemento isomórfico β con solubilidad ilimitada en el titanio β y cierta solubilidad en el titanio α. Refuerza el material de forma más eficaz que el estaño, al tiempo que conserva una buena ductilidad, y puede mejorar la resistencia a la fluencia y la estabilidad térmica.

El molibdeno también es isomórfico β. Aporta un refuerzo por solución sólida, mejora la trabajabilidad en caliente, la resistencia a la fluencia y la estabilidad térmica, y reduce la tendencia a la fragilización por hidrógeno. El vanadio y el molibdeno son los estabilizadores de la fase β más utilizados. Refuerzan la fase β, reducen la temperatura de transformación, aumentan la templabilidad y mejoran la respuesta al tratamiento térmico. Las aleaciones de titanio que contienen cualquiera de estos elementos no sufren una reacción eutectoide y conservan una buena estabilidad estructural a altas temperaturas. El vanadio por sí solo proporciona resistencia a la fluencia solo hasta unos 400 °C. El molibdeno es más eficaz, pero aumenta la densidad y también mejora la resistencia a la corrosión, en particular la resistencia a la corrosión intercrestal en soluciones de cloruro.

Manganeso y cromo

El manganeso y el cromo refuerzan y estabilizan considerablemente la fase β y tienen una densidad menor que el molibdeno o el tungsteno. Se utilizan ampliamente en aleaciones β metaestables de alta resistencia. Sus lentas reacciones eutectoides con el titanio pueden reducir la estabilidad a largo plazo a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia. La adición de un elemento isomórfico β, especialmente el molibdeno, inhibe estas reacciones.

Cobre

Parte del cobre se disuelve en la fase α y otra parte forma TiCu₂, lo que mejora la estabilidad térmica y la resistencia a altas temperaturas. Por encima del límite de solubilidad, el envejecimiento puede producir un refuerzo por dispersión y aumentar considerablemente la resistencia a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas.

Silicio

El silicio mejora la resistencia a altas temperaturas. A partir de aproximadamente un 0,21 % en masa de TP33T, forma Ti₅Sí₃ en aleaciones sin circonio y (Ti₂(Zr)₅Sí₃ en aleaciones que contienen circonio. Estos siliciuros mejoran la resistencia a la fluencia, pero reducen la estabilidad térmica. La elevada temperatura eutectoide del silicio, de 860 °C, favorece la resistencia al calor, por lo que las aleaciones resistentes al calor suelen contener aproximadamente 0,25% de silicio, sin superar la solubilidad máxima en la fase α. Dado que los átomos de silicio y titanio difieren considerablemente en tamaño, el silicio se segrega en las dislocaciones e impide su movimiento. Además, aumenta la solubilidad del hidrógeno en la fase β y reduce la tendencia a la fragilización por hidrógeno.

Elementos de tierras raras

La adición de tierras raras mejora la resistencia al calor y la estabilidad térmica. La oxidación interna da lugar a una fase de tierras raras fina y estable._xO_y partículas que aportan un refuerzo por dispersión. Este proceso reduce la concentración de oxígeno en la matriz y traslada el estaño a los óxidos de tierras raras, lo que contribuye a suprimir la fase α frágil₂ precipitación. Los elementos de tierras raras también inhiben en gran medida el crecimiento de los granos β y refinan los granos, mejorando así las propiedades generales.

El desarrollo de aleaciones de titanio avanza hacia sistemas multicomponentes altamente aleados. Los elementos de aleación proporcionan un endurecimiento por solución sólida, estabilizan las fases α o β, mejoran la respuesta al tratamiento térmico, contrarrestan los efectos nocivos y aumentan la resistencia al calor y a la corrosión.