Las aleaciones de titanio fundido combinan una baja densidad, una alta resistencia específica, resistencia a la corrosión, resistencia al calor y un buen comportamiento a bajas temperaturas. Este artículo compara los sistemas de titanio fundido alfa, alfa-beta y beta, incluyendo piezas fundidas de titanio comercialmente puro y aleaciones denominadas por su composición, como Ti-Al, Ti-Pd, Ti-Mo-Ni, Ti-Al-V y Ti-Al-Sn-Nb-Mo. Incluye tablas de composición y propiedades mecánicas de los grados de fundición enumerados, explica aplicaciones representativas en los sectores aeroespacial, químico, marítimo, médico y energético, y describe el comportamiento de la fundición, como la fluidez, el intervalo de solidificación, la contracción concentrada, las cavidades por contracción de gases, la porosidad dispersa, la contracción, la resistencia a las grietas en caliente y las grietas frías superficiales relacionadas con la fase alfa frágil.
Las aleaciones de titanio fundidas se clasifican, según su microestructura recocida, en los tipos α, α+β y β. Entre sus propiedades útiles destacan la baja densidad, la elevada resistencia específica y la resistencia a la corrosión, mientras que su comportamiento en la fundición viene determinado por la fluidez de la masa fundida, la contracción por solidificación y la reactividad. Esta guía compara los grupos de materiales, la composición y las propiedades mecánicas de los grados enumerados, así como los defectos de fundición más comunes.
El titanio combina una baja densidad, una alta resistencia, una buena tenacidad, un comportamiento no magnético, un alto punto de fusión, un bajo coeficiente de expansión térmica y una gran resistencia a la corrosión y al ataque biológico. Las aleaciones de titanio fundidas suelen presentar las diez características siguientes.
El titanio tiene una densidad de 4,51 g/cm3, aproximadamente 57% veces la del acero. Pesa menos del doble que el aluminio, pero puede ser unas tres veces más resistente. En la comparación que aquí se presenta, las aleaciones de titanio tienen una resistencia específica aproximadamente 3,5 veces superior a la del acero inoxidable, 1,3 veces superior a la de las aleaciones de aluminio y 1,7 veces superior a la de las aleaciones de magnesio. Esto las convierte en importantes materiales estructurales para aplicaciones aeroespaciales.
La pasividad del titanio depende de su película de óxido. Su resistencia a la corrosión es mucho mayor en medios oxidantes que en medios reductores, en los que puede producirse una corrosión rápida. El titanio resiste el ataque en medios como el agua de mar, el cloro húmedo, las soluciones de clorito e hipoclorito, el ácido nítrico, el ácido crómico, los cloruros metálicos, los sulfuros y los ácidos orgánicos.
El aluminio suele perder sus prestaciones originales en torno a los 150 °C y el acero inoxidable, en torno a los 310 °C, mientras que las aleaciones de titanio pueden conservar propiedades mecánicas útiles a temperaturas cercanas a los 500 °C. A una velocidad de aproximadamente Mach 2,7, la superficie de una aeronave puede alcanzar los 230 °C, temperatura a la que las aleaciones de aluminio y magnesio pueden dejar de ser adecuadas. Las aleaciones de titanio se utilizan en los discos y álabes de los compresores de los motores aeronáuticos, así como en el revestimiento de la parte trasera del fuselaje.
En el caso de algunas aleaciones de titanio, como la Ti-5Al-2,5Sn ELI, la resistencia aumenta a medida que desciende la temperatura, mientras que la ductilidad solo disminuye ligeramente. Su ductilidad y tenacidad a bajas temperaturas permiten su uso en motores de cohete de hidrógeno líquido y oxígeno líquido, así como en recipientes y depósitos criogénicos para naves espaciales tripuladas.
El titanio no es magnético. En las aplicaciones relacionadas con el casco de los submarinos, no activa las minas magnéticas.
La conductividad térmica del titanio es aproximadamente una quinta parte de la del acero, una decimotercera parte de la del aluminio y una vigésima quinta parte de la del cobre. La escasa conducción del calor supone una desventaja en algunas aplicaciones.
El titanio tiene un módulo de elasticidad de aproximadamente el 55% del acero. Para aplicaciones estructurales, este módulo relativamente bajo puede suponer una desventaja.
En el ejemplo citado del Ti-6Al-4V, la resistencia a la tracción es de 960 MPa y el límite elástico es de 892 MPa, lo que supone una diferencia de tan solo 68 MPa.
El titanio tiene una gran afinidad por el hidrógeno y el oxígeno, por lo que es necesario controlar la oxidación y la absorción de hidrógeno. La soldadura requiere una protección con argón. Los tubos y las chapas de titanio se someten a un tratamiento térmico al vacío, mientras que las piezas forjadas de titanio requieren un control minucioso de una atmósfera ligeramente oxidante en el horno.
Si se fabrican campanas de forma y tamaño idénticos con titanio, cobre y acero, y se golpean con la misma fuerza, la campana de titanio suena durante más tiempo. La energía del impacto se disipa lentamente, lo que indica una baja capacidad de amortiguación.
Las 12 calidades de titanio fundido que se muestran a continuación se agrupan según su microestructura recocida. La designación «ZT» identifica el titanio fundido en el sistema de designación chino. Las normas nacionales chinas citadas son GB/T 6614-2014, Piezas fundidas de titanio y aleaciones de titanio, y GB/T 15073-2014, Titanio fundido y aleaciones de titanio.
Composición química del titanio fundido y de las aleaciones de titanio
La siguiente tabla de composición se basa en la norma GB/T 6614-2014; sus límites se aplican a los grados de fundición y a las condiciones aquí representadas.
| Material | Ti | Al | Sn | Mo | V | Zr | Nb | Ni | Pd | Fe máx. | Si máx. | C máx. | N máx. | H máx. | O máx. | Otros, cada uno como máximo. | Otros, total máx. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ZTA1 (calidad de fundición de titanio CP china) | Saldo | – | – | – | – | – | – | – | – | 0.25 | 0.10 | 0.10 | 0.03 | 0.015 | 0.25 | 0.10 | 0.40 |
| ZTA2 (calidad de fundición de titanio CP china) | Saldo | – | – | – | – | – | – | – | – | 0.30 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.35 | 0.10 | 0.40 |
| ZTA3 (calidad de fundición de titanio CP china) | Saldo | – | – | – | – | – | – | – | – | 0.40 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.40 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundido Ti-4Al | Saldo | 3.3-4.7 | – | – | – | – | – | – | – | 0.30 | 0.15 | 0.10 | 0.04 | 0.015 | 0.20 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundido Ti-5Al-2.5Sn | Saldo | 4.0-6.0 | 2.0-3.0 | – | – | – | – | – | – | 0.50 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.20 | 0.10 | 0.40 |
| Titanio fundido Ti-0.2Pd | Saldo | – | – | – | – | – | – | – | 0.12-0.25 | 0.25 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.40 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundido Ti-0.3Mo-0.8Ni | Saldo | – | – | 0.2-0.4 | – | – | – | 0.6-0.9 | – | 0.30 | 0.10 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.25 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundido Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V | Saldo | 5.5-7.0 | – | 0.5-2.0 | 0.8-2.5 | 1.5-2.5 | – | – | – | 0.30 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.20 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundido Ti-4Al-2V | Saldo | 3.5-4.5 | – | – | 1.5-3.0 | – | – | – | – | 0.25 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.20 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio Ti-32Mo de fundición beta | Saldo | – | – | 30.0-34.0 | – | – | – | – | – | 0.30 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.15 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundido Ti-6Al-4V | Saldo | 5.50-6.75 | – | – | 3.5-4.5 | – | – | – | – | 0.40 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.25 | 0.10 | 0.40 |
| Aleación de titanio fundida Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo | Saldo | 5.5-6.5 | 4.0-5.0 | 1.0-2.0 | – | – | 1.5-2.0 | – | – | 0.30 | 0.15 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.20 | 0.10 | 0.40 |
Notas: Otros elementos son oligoelementos presentes de forma inherente durante la producción de piezas de fundición de titanio, entre los que se incluyen generalmente Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb y Y, excluyendo los elementos de aleación añadidos intencionadamente en la calidad. Los límites individuales y totales para otros elementos solo se analizan cuando así lo requiera el comprador.
Propiedades mecánicas del titanio fundido y de las aleaciones de titanio
La siguiente tabla de composición y propiedades mecánicas se basa en la norma GB/T 15073-2014; sus valores no se presentan como límites universales para todos los productos de titanio fundido.
| Material | Resistencia a la tracción Rm (MPa), mín. | Resistencia a la prueba 0,2% Rp0,2 (MPa), mín. | Alargamiento A (%), mín. | Dureza (HBW), máx. |
|---|---|---|---|---|
| ZTA1 (calidad de fundición de titanio CP china) | 345 | 275 | 20 | 210 |
| ZTA2 (calidad de fundición de titanio CP china) | 440 | 370 | 13 | 235 |
| ZTA3 (calidad de fundición de titanio CP china) | 540 | 470 | 12 | 245 |
| Aleación de titanio fundido Ti-4Al | 590 | 490 | 10 | 270 |
| Aleación de titanio fundido Ti-5Al-2.5Sn | 795 | 725 | 8 | 335 |
| Titanio fundido Ti-0.2Pd | 450 | 380 | 12 | 235 |
| Aleación de titanio fundido Ti-0.3Mo-0.8Ni | 483 | 345 | 8 | 235 |
| Aleación de titanio fundido Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V | 885 | 785 | 5 | – |
| Aleación de titanio fundido Ti-4Al-2V | 740 | 660 | 5 | – |
| Aleación de titanio Ti-32Mo de fundición beta | 795 | – | 2 | 260 |
| Aleación de titanio fundido Ti-6Al-4V | 835 (895) | 765 (825) | 5 (6) | 365 |
| Aleación de titanio fundida Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo | 980 | 850 | 5 | 350 |
Las piezas fundidas de titanio comercialmente puro incluyen el ZTA1 (calidad china de fundición de titanio CP), el ZTA2 (calidad china de fundición de titanio CP) y el ZTA3 (calidad china de fundición de titanio CP). La primera de estas calidades tiene el menor contenido de impurezas y, por lo tanto, mayor ductilidad, pero menor resistencia. El tercero contiene más impurezas y, por lo tanto, presenta una mayor resistencia, pero una menor ductilidad. La estructura tal y como sale de la fundición es íntegramente de fase α con granos gruesos de Widmanstätten; el recocido produce una estructura equiaxial.
El comportamiento en la fundición se asemeja al de un metal puro. La fluidez es buena, la contracción dispersa es limitada, pueden formarse cavidades de contracción concentrada y es poco probable que se produzcan grietas en caliente. Las piezas fundidas de titanio CP presentan una resistencia moderada, buena ductilidad, así como buena fundibilidad, resistencia a la corrosión y soldabilidad. Pueden funcionar durante largos periodos a 300 °C.
La aleación de titanio fundida Ti-5Al-2,5Sn es una aleación α monofásica de resistencia media que contiene aluminio 5% como estabilizador α y estaño 2,5% como elemento neutro. Presenta una buena resistencia a altas temperaturas y soldabilidad por fusión. No puede reforzarse mediante tratamiento térmico y se utiliza normalmente en estado recocido. La ductilidad de procesamiento es relativamente baja, por lo que el conformado de chapas requiere calentamiento.
Entre sus aplicaciones se incluyen las carcasas y los paneles. Las temperaturas de funcionamiento indicadas para esta aleación son de hasta 500 °C a largo plazo y de hasta 800 °C durante breves periodos.
El titanio fundido Ti-0,2Pd es un material α resistente a la corrosión que se obtiene añadiendo una pequeña cantidad de paladio al titanio comercialmente puro. El paladio mejora la resistencia a la corrosión tanto en medios reductores como en medios oxidantes. En medios calientes y con cloruro concentrado, se considera que este material fundido presenta una resistencia especialmente elevada a la corrosión en hendiduras.
El titanio fundido Ti-0,2Pd tiene aplicaciones similares a las de las piezas fundidas de titanio CP, pero su coste es mayor debido a la adición de paladio, por lo que se elige cuando el titanio comercialmente puro no puede cumplir los requisitos de servicio. Entre sus aplicaciones se incluyen entornos con ácido clorhídrico, sulfúrico y fosfórico diluidos; equipos de titanio resistentes a la corrosión en hendiduras; intercambiadores de calor de carcasa y tubos; hiladoras textiles; revestimientos de bridas en plantas de acetaldehído; y bridas, juntas y otros componentes con hendiduras.
La aleación de titanio fundido Ti-0,3Mo-0,8Ni es una aleación casi-α resistente a la corrosión, desarrollada para mejorar el comportamiento frente a la corrosión intercrestal del titanio puro. Su contenido de 0,3% de Mo y 0,8% de Ni refuerza la aleación y mejora la resistencia a los medios clorados calientes de bajo pH y a los ácidos ligeramente reductores. Su resistencia a la corrosión es considerablemente superior a la del titanio puro y similar a la del titanio fundido Ti-0,2Pd. Además, presenta una buena ductilidad de procesamiento y soldabilidad, y se utiliza ampliamente en la industria química.
La composición indicada para esta aleación con alto contenido en aluminio y de tipo casi-α es 6,58% de Al y 1,46% de Mo. Combina la resistencia a altas temperaturas y la soldabilidad de las aleaciones α con una ductilidad de procesamiento que se aproxima a la de las aleaciones α+β. La temperatura de funcionamiento a largo plazo indicada es de 500 °C durante 3.000 h, con una exposición momentánea de hasta 800 °C durante un máximo de 5 min. A 450 °C, la vida útil indicada alcanza las 6.000 h.
Entre sus aplicaciones se incluyen piezas estructurales y de soporte de carga soldadas que funcionan a temperaturas inferiores a 500 °C, álabes y carcasas de motores, piezas de chapa para aeronaves, vigas, uniones, paneles de gran tamaño, bastidores soldados de soporte de carga, otras estructuras soldadas y piezas de fundición.
La aleación de titanio fundido Ti-4Al-2V presenta buenas propiedades mecánicas tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas, así como resistencia a la fatiga, al crecimiento de grietas, a los impactos y a la corrosión en diversos medios. Es soldable y puede conformarse en caliente o en frío.
Entre sus aplicaciones se incluyen los recipientes a presión para misiles y las carcasas de motores de cohete; los discos, álabes, espaciadores, protectores, revestimientos, nervaduras, alma, alas, vigas, estabilizadores horizontales, cubos de rotor, tren de aterrizaje, vigas de soporte y cubos de rueda de los aviones; hidroalas marinas, equipos de propulsión y armamento; y álabes de turbinas de vapor, discos de compresores axiales y radiales, resortes resistentes a la corrosión y bielas de motores de combustión interna.
La aleación de titanio fundido Ti-6Al-4V se considera una de las primeras aleaciones de titanio y una de las más utilizadas. El aluminio refuerza la fase α mediante solución sólida y mejora la resistencia tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. El vanadio aumenta la resistencia y mejora la ductilidad. Además, inhibe la formación de la fase α2 fase ordenada, lo que reduce el riesgo de fragilización a largo plazo.
Esta aleación combina un amplio rendimiento mecánico con buenas características de procesamiento y una formabilidad superplástica. Se puede conformar mediante diversos métodos de conformado a presión y soldar mediante múltiples procesos. Las formas de semiproducto más habituales son las barras, las piezas forjadas, las chapas finas y gruesas, los perfiles y el alambre. Se utiliza principalmente en estado recocido, aunque también puede someterse a un tratamiento de solución y a un envejecimiento.
Entre sus aplicaciones aeroespaciales se incluyen vigas y bastidores de aeronaves, rieles, vigas de tren de aterrizaje, discos y álabes de ventiladores y compresores, carcasas de cohetes, recipientes a presión y elementos de fijación. La sustitución del acero estructural 30CrMnSiA puede reducir el peso de los componentes en aproximadamente 30%. Entre las aplicaciones civiles se incluyen álabes de turbinas de gas, hélices marinas, plataformas de perforación en alta mar, bombas resistentes a la corrosión, implantes médicos y artículos deportivos. El Ti-6Al-4V no fundido también se utiliza para bastidores de automóviles, cigüeñales, bielas, pernos, válvulas de admisión y muelles de suspensión.
Esta aleación combina una elevada resistencia, una gran tenacidad, tolerancia al daño y soldabilidad, y puede funcionar durante largos periodos a temperaturas inferiores a 500 °C. Entre las aplicaciones descritas se incluyen componentes estructurales para uso aeroespacial y civil; también se enumeran como principales formas semiacabadas las barras, las piezas forjadas y las chapas gruesas. Estas formas de productos forjados se diferencian del material fundido que se trata en esta sección.
La aleación de titanio fundida Ti-32Mo Beta ofrece una resistencia a la corrosión muy elevada y puede soldarse mediante diversos métodos, pero no se considera que sea susceptible de tratamiento térmico para aumentar su resistencia. Su elevado contenido en molibdeno complica la fusión y eleva la densidad a 5,69 g/cm3, reduce el módulo de elasticidad y provoca una oxidación grave cuando se calienta al aire a temperaturas superiores a 500 °C. Por ello, se utiliza principalmente para bombas, válvulas y componentes similares fabricados en fundición que están expuestos a ácidos fuertes.
Los elementos de aleación suelen ampliar el intervalo de temperaturas de solidificación y reducir la fluidez. Sin embargo, al aumentar el contenido de aluminio, se incrementa el calor de cristalización y puede mejorarse la fluidez. La adición de 10% Al en masa eleva el calor de cristalización de 327 J/g a 435 J/g. La aleación de titanio de fundición beta Ti-32Mo contiene Mo 31%-35%, presenta un amplio intervalo de solidificación y una fluidez deficiente, y no es adecuada para piezas de fundición de paredes delgadas.
Las cavidades de contracción concentrada ocupan aproximadamente un 1% del volumen en el titanio comercialmente puro. Con un contenido de elementos de aleación del 10% en masa, la fracción volumétrica de contracción concentrada es de aproximadamente 0,5%-1,5%. En las aleaciones con un amplio intervalo de solidificación, las cavidades de contracción formadas durante la solidificación pueden llenarse con gas procedente del líquido restante, lo que da lugar a cavidades de contracción por gas. Las piezas fundidas de aleaciones de titanio tienen una fuerte tendencia a presentar este defecto. La porosidad de contracción dispersa también aumenta a medida que se amplía el intervalo de solidificación.
El titanio comercialmente puro presenta una contracción lineal de 1,0%-1,1%. La contracción de las aleaciones de titanio aumenta con el contenido de aluminio. El bajo módulo de elasticidad y el bajo coeficiente de expansión térmica, junto con una resistencia relativamente alta a temperaturas elevadas, confieren a las aleaciones de titanio una buena resistencia al agrietamiento en caliente. Las grietas superficiales en frío están relacionadas con reacciones entre el titanio fundido y el molde durante la colada, o con reacciones con impurezas gaseosas en la superficie de la pieza fundida y en los huecos, que forman una capa α frágil enriquecida con oxígeno. Esta capa superficial frágil desarrolla fácilmente grietas en frío.
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