Las aleaciones de titanio alfa se basan en el endurecimiento por solución sólida y por refinamiento del grano, en lugar del endurecimiento convencional mediante tratamiento térmico. Esta guía explica en detalle las composiciones alfa y casi alfa, el titanio CP, las estructuras equiaxiales y laminares, las aplicaciones criogénicas y a 600 °C, los efectos de la velocidad de enfriamiento, el equilibrio entre fluencia y fatiga, y la precipitación de alfa2 o siliciuros.
Las aleaciones de titanio alfa contienen principalmente fase alfa y se clasifican como totalmente alfa o casi alfa. Al presentar poca o ninguna fase beta, no pueden reforzarse mediante un tratamiento térmico convencional; la solución sólida y el refinamiento del grano son los principales mecanismos de refuerzo. El Al, el O, el Zr, el Sn y el Si son aditivos importantes. Por lo general, el aluminio se mantiene por debajo de 6% para limitar la fase alfa-2 ordenada y frágil (Ti3Al); el oxígeno proporciona un fuerte refuerzo intersticial, pero reduce la ductilidad; y las aleaciones casi alfa utilizan silicio para mejorar la resistencia a la fluencia.
El titanio comercialmente puro (titanio CP) se clasifica habitualmente a nivel internacional según los grados 1 a 4 de la norma ASTM, pero estos se presentan únicamente como un marco general y no como sustitutos equivalentes de los grados chinos.
| Clasificación habitual del titanio CP | Contenido máximo de oxígeno | Módulo de elasticidad | Límite elástico | Resistencia a la tracción | Alargamiento |
|---|---|---|---|---|---|
| Grade 1 | 0.18% | 105 GPa | 170 MPa | 240 MPa | 24% |
| Grade 2 | 0.25% | 105 GPa | 275 MPa | 344 MPa | 20% |
| Grade 3 | 0.35% | 105 GPa | 377 MPa | 440 MPa | 18% |
| Grade 4 | 0.40% | 105 GPa | 480 MPa | 550 MPa | 15% |
Las aleaciones totalmente alfa ofrecen soldabilidad, resistencia a la corrosión, ductilidad, tenacidad en muesca y una temperatura de transición de dúctil a frágil de tan solo −253 °C. Los granos equiaxiales son el resultado del procesamiento alfa-beta seguido de un recocido de recristalización. La resistencia aumenta al reducirse el tamaño del grano; para el grado de CP con menor contenido de oxígeno, la relación es: límite elástico = 231 MPa + 10,5d−1/2. El enfriamiento rápido desde la fase beta da lugar a martensita alfa-prime acicular o en forma de listones, mientras que el enfriamiento lento produce colonias lamelares gruesas. Las estructuras lamelares sacrifican una menor resistencia a la tracción y a la fatiga, así como una menor ductilidad, a cambio de una mayor tenacidad a la fractura y resistencia a la fluencia.
El Ti-5Al-2,5Sn combina una elevada resistencia y tenacidad criogénicas y se utiliza para el almacenamiento de nitrógeno líquido a una temperatura cercana a los −253 °C.
Las aleaciones «casi alfa» ofrecen resistencia a la fluencia y a la oxidación, así como resistencia mecánica hasta unos 600 °C, lo que las hace adecuadas para su uso en compresores de turbinas de gas. Algunos ejemplos son el Ti-1100, el IMI 834 y el BT18y. Pequeñas adiciones de Mo, Nb o V mejoran la forjabilidad gracias a la presencia de una fase beta limitada; el Zr y el Sn refuerzan la fase alfa, mientras que las adiciones de Si, C y tierras raras pueden mejorar la resistencia a la fluencia.
La forja y el tratamiento térmico en el campo alfa-beta pueden dar lugar a una estructura bimodal compuesta por alfa primaria equiaxial y beta transformada que contiene alfa laminar secundaria. Esta estructura equilibra la fluencia, la tenacidad a la fractura y la fatiga.
Una enfriamiento más rápido tras el tratamiento con solución beta da lugar a láminas alfa más delgadas, una mayor resistencia y una menor ductilidad. El aumento del contenido de beta puede mejorar la fluencia en el IMI 834, pero reduce el comportamiento frente a la fatiga. El envejecimiento o la exposición prolongada pueden precipitar alfa2 ordenada y siliciuros de Ti5Si3, lo que aumenta la resistencia a temperatura ambiente y a altas temperaturas, al tiempo que reduce la ductilidad.
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