La metalografía del titanio distingue las familias de aleaciones alfa, alfa-beta y beta en función del contenido de fases, el tamaño del grano, la morfología y la distribución. Esta guía explica las estructuras alfa equiaxiales, lamelares, aciculares y de Widmanstatten; la fase omega de transición; y las estructuras estables, metaestables y cercanas a la beta. También muestra cómo el recocido por encima de las temperaturas de transición de fase, el tratamiento de solución, el temple, el enfriamiento en horno o al aire y el envejecimiento alteran las microestructuras representativas. Los nombres internacionalizados de las aleaciones se aplican de forma coherente en el texto y en los marcadores de posición de las imágenes, mientras que se mantiene explícitamente la relación aproximada para la TC21. El resultado es una referencia práctica para la identificación de fases en el análisis metalográfico.
El titanio y las aleaciones de titanio combinan una baja densidad, una elevada resistencia específica, resistencia a la corrosión, capacidad para soportar altas temperaturas, comportamiento no magnético y ausencia de toxicidad. Se utilizan ampliamente en los sectores aeroespacial, de ingeniería naval, petrolero, de procesamiento químico, de la industria ligera, metalúrgico, de la maquinaria, médico y energético.
Las aleaciones de titanio se clasifican habitualmente en aleaciones alfa, alfa-beta y beta. Sus fases básicas son relativamente sencillas, pero las condiciones de procesamiento pueden dar lugar a numerosas morfologías y distribuciones, así como a fases de transición y de impurezas.
El titanio comercialmente puro (titanio CP) pertenece a la familia alfa. Otras aleaciones alfa suelen contener aproximadamente un 6% de aluminio, además de pequeñas cantidades de elementos neutros, y son casi totalmente alfa tras el recocido. Esta clasificación colectiva incluye el titanio CP y las aleaciones de titanio alfa. Las aleaciones «casi alfa» no contienen, además, más de aproximadamente un 4% de elementos estabilizadores beta; entre ellas se encuentran, por ejemplo, la Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) y la Ti-4Al-2V.
Las aleaciones de titanio alfa están compuestas casi en su totalidad por fase alfa, aunque pueden aparecer trazas de fase beta cuando el contenido de hierro o manganeso es relativamente elevado. La fase alfa se presenta en dos formas principales: equiaxial y lamelar o acicular. El conformado y el recocido en la región de alfa pura dan lugar a granos alfa equiaxiales similares a los del titanio CP.
Si el recocido supera la transición alfa/alfa-beta, a aproximadamente 955 °C, o la transición alfa-beta/beta, a aproximadamente 1040 °C, la beta de alta temperatura se transforma, durante el enfriamiento posterior en horno o al aire, en alfa laminar o acicular con carácter de Widmanstatten. El enfriamiento en horno produce placas más grandes y redondeadas; el enfriamiento al aire produce agujas más finas y afiladas. En comparación con la alfa equiaxial, estas morfologías tienen poco efecto sobre la resistencia a la tracción, pero reducen la ductilidad.
Las aleaciones alfa-beta contienen menos del 6% en masa de aluminio, junto con diversos estabilizadores beta y elementos neutros. Tras el recocido, presentan diferentes proporciones de alfa y beta. Por lo general, se sueldan bien y pueden endurecerse mediante tratamiento térmico, pero su conformabilidad en frío y su trabajabilidad en frío son deficientes. Algunos ejemplos son el Ti-6Al-4V, el Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si y el TC21 (aproximadamente comparable al Ti-62222).
El Ti-6Al-4V es la aleación de titanio alfa-beta más utilizada. Normalmente se somete a conformado en caliente y a recocido, aunque también puede someterse a temple y envejecimiento. Su relación alfa-beta, así como la morfología, el tamaño y la distribución de ambas fases, son muy sensibles a las condiciones de conformado en caliente.
Durante el temple o el tratamiento isotérmico, la precipitación de la fase alfa a partir de la fase beta puede ir acompañada de una fase omega de transición, una fase submicroscópica fuera de equilibrio que se forma mediante nucleación y crecimiento.
Las aleaciones beta se subdividen en aleaciones beta estables, beta metaestables y casi beta. Entre las variables metalográficas importantes se incluyen el tamaño de los granos beta, la cantidad y la morfología de la fase alfa primaria y secundaria, y la distribución de la fase alfa a lo largo de los límites de grano.
Las aleaciones beta estables contienen suficientes estabilizadores beta para impedir la transformación martensítica durante el enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente. Sus matrices recocidas y templadas son de beta equiaxial, y la fluencia a alta temperatura puede dar lugar a la formación de gemelos. Presentan una resistencia relativamente baja a temperatura ambiente, buena conformabilidad en frío y buena resistencia a la corrosión en medios reductores.
Las aleaciones beta metaestables contienen una concentración de estabilizadores beta superior a la crítica, con un equivalente de molibdeno de aproximadamente 10%, un máximo de 3% de aluminio y pequeñas cantidades de elementos neutros. El tratamiento de solubilización en el campo beta deja una estructura beta metaestable casi en su totalidad; el envejecimiento produce precipitados alfa. Estas aleaciones combinan una buena conformabilidad en frío con una elevada resistencia tras el envejecimiento. Entre las composiciones representativas se incluyen Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al y Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).
Las aleaciones «casi beta» contienen estabilizadores beta cerca de la concentración crítica, junto con elementos neutros y aluminio. El tratamiento de solución en campo beta produce una gran cantidad de beta metaestable y otros componentes metaestables alfa u omega; tras el envejecimiento, predominan las fases alfa y beta. Estas aleaciones son muy adecuadas para piezas forjadas y ofrecen un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad. El Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) es una aleación representativa.
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