¿Cómo influyen los elementos de aleación en las propiedades de las aleaciones de titanio?

El titanio presenta dos formas alotrópicas: el titanio alfa, de estructura hexagonal compacta, es estable por debajo de los 882 °C, mientras que el titanio beta, de estructura cúbica centrada en el cuerpo, es estable por encima de los 882 °C. El titanio tiene una densidad de 4,51 g/cm³, conserva una alta resistencia específica hasta aproximadamente 550-600 °C, resiste la corrosión gracias a unas capas estables de óxido y nitruro, y mantiene una resistencia, ductilidad y tenacidad útiles a la temperatura del nitrógeno líquido. Su conductividad térmica es aproximadamente una cuarta parte de la del hierro, y su módulo de elasticidad es de unos 54% del del hierro.

Finalidad de la aleación del titanio

La aleación determina la composición, la estabilidad y las propiedades de las fases alfa y beta. Los elementos con una concentración de electrones inferior a 4 tienden a estabilizar la fase alfa; los que tienen una concentración superior a 4, la fase beta; y los que se sitúan cerca de 4 pueden estabilizar ambas. Entre los elementos añadidos más importantes se encuentran el Al, el Sn, el Zr, el V, el Mo, el Mn, el Fe, el Cr, el Cu y el Si.

• Estabilizadores alfa, como el Al, aumentan la temperatura de transformación y amplían el campo alfa.
• Estabilizadores beta, como el Mo, reducen la temperatura de transformación y amplían el campo beta.
• Elementos neutros tienen un efecto mínimo sobre la temperatura de transformación y se disuelven prácticamente por completo en ambas fases.

Cuatro tipos típicos de sistemas binarios

1. Sistemas peritectoides y de formación de compuestos: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N y Ti-O. Los amplios campos de solución sólida alfa de Ti-Al, Ti-Sn y Ti-Ga son importantes para las aleaciones resistentes al calor.
2. Solubilidad beta continua y solubilidad alfa limitada: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta y Ti-Mo. Estos elementos de estructura cúbica centrada en el cuerpo estabilizan la fase beta. A una concentración crítica, un enfriamiento rápido puede mantener la fase beta por completo hasta la temperatura ambiente.
3. Sistemas eutectoides: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi y Ti-W. El Cu, el Si y el H son estabilizadores activos de la fase beta eutectoide y pueden proporcionar endurecimiento por envejecimiento; el Fe, el Mn y el Cr se transforman con la suficiente lentitud como para que las estructuras alfa-beta puedan permanecer tras un enfriamiento normal.
4. Soluciones sólidas continuas de alfa y beta: Ti-Zr y Ti-Hf. El Zr refuerza la fase alfa y se utiliza ampliamente; el Hf es denso, escaso y menos práctico.

Por lo tanto, un diseño eficaz de las aleaciones implica elegir los tipos de elementos y las adiciones adecuadas para obtener el equilibrio de fases, las propiedades mecánicas y la respuesta al procesamiento requeridos.