¿Qué sistemas de aleaciones de titanio se utilizan en el sector aeroespacial?

El desarrollo de las aleaciones de titanio comenzó en el sector de la aviación y evolucionó a medida que la industria exigía estructuras más ligeras, más resistentes y capaces de soportar temperaturas más elevadas. Los sistemas aeroespaciales de titanio pueden clasificarse en cuatro grupos: aleaciones de alta resistencia y alta tenacidad, aleaciones para altas temperaturas, aleaciones resistentes al fuego y compuestos con matriz de titanio.

Aleaciones de titanio de alta resistencia y alta tenacidad

Aleaciones con una resistencia a la tracción superior a 1000 MPa y una tenacidad a la fractura superior a 55 MPa·m^1/2 En este contexto, se consideran generalmente aleaciones de titanio de alta resistencia y alta tenacidad. El sistema Ti-Al-Mo-V-Cr es uno de los principales. La aleación Ti-1023 se ha utilizado en el tren de aterrizaje del Boeing 777 y en los puntales del tren de aterrizaje principal del A380; el Timetal 555 se ha utilizado en el tren de aterrizaje del Boeing 777 y en las vigas de los bogies; el BT22 ruso se ha empleado en componentes de gran resistencia de la estructura del avión y del tren de aterrizaje en aeronaves como el Su-27 y el Il-76.

El Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al utiliza Mo, V y Cr para estabilizar la fase beta. El aumento de estas adiciones puede mejorar la ductilidad; tras el tratamiento térmico, la resistencia a la tracción puede alcanzar los 1100-1200 MPa. Presenta una buena conformabilidad en frío tras el tratamiento de solubilización y un equilibrio útil entre resistencia y ductilidad tras el tratamiento de solubilización y el envejecimiento. El Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al contiene menos Cr y tiene un contenido de estabilizadores de la fase beta cercano a la concentración crítica, lo que le permite combinar las características de las aleaciones alfa-beta y beta metaestables. Tras el tratamiento térmico, puede alcanzar una resistencia a la tracción de 1110 MPa y una energía de rotura de 70,5 MPa·m.^1/2 resistencia a la fractura de las estructuras aeroespaciales.

Aleaciones de titanio para altas temperaturas

Las aleaciones de titanio para altas temperaturas son materiales fundamentales para los motores de avión. La Ti-6Al-4V, la primera aleación en utilizarse de forma generalizada, funciona a temperaturas de entre 300 y 350 °C y combina resistencia a altas temperaturas, ductilidad, tenacidad, conformabilidad y biocompatibilidad. Las aleaciones posteriores, como la IMI550, la BT3-1 y la IMI685, mejoraron la resistencia a la tracción y a la fluencia, y elevaron la temperatura de servicio hasta los 400 °C. Las adiciones de silicio y el desarrollo de aleaciones de Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si dieron lugar a la IMI834, la Ti-1100, la BT36 y otras aleaciones reforzadas en parte por la fase alfa.₂. El IMI834, muy utilizado en el Reino Unido y en los motores Trent 700, alcanza unos 600 °C.

Aleaciones representativas de EE. UU.

Aleaciones representativas del Reino Unido

Aleaciones representativas de Rusia y China

Por debajo de los 600 °C, estas aleaciones pueden superar al acero estructural, al aluminio y a las superaleaciones de níquel en cuanto a resistencia específica, resistencia específica a la fluencia y resistencia específica a la fatiga. Sustituir el níquel por titanio, manteniendo la misma resistencia y capacidad de servicio, puede reducir la masa en un factor de aproximadamente 1,7. Los motores con una elevada relación empuje-peso también requieren blisks, blings, estructuras soldadas y Ti₂AlNb, TiAl y compuestos de titanio reforzados con fibra.

A Mach 6, la superficie de una aeronave puede superar los 650 °C, lo que aumenta la demanda de revestimientos, estructuras, motores y componentes del fuselaje resistentes al calor. Por lo tanto, el desarrollo se centra en la resistencia a la fluencia, la vida útil hasta la rotura, la resistencia a la fatiga, la estabilidad termodinámica, la resistencia a la oxidación y la resistencia a la corrosión bajo tensión térmica.

La temperatura de servicio a largo plazo ha aumentado de unos 350 °C para el Ti-6Al-4V a unos 600 °C. A menudo se considera que este valor constituye la barrera térmica para las aleaciones de titanio convencionales, lo que hace que el TiAl y los compuestos de titanio reforzados con fibra de carburo de silicio cobren importancia por encima de ese umbral. Los conceptos de aleaciones para 650 °C descritos añaden Hf, Nb y Ta a los sistemas de Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si. Las adiciones de tierras raras deben mantenerse por debajo de 0,1 at.%; unas adiciones mayores requieren metalurgia de polvos con solidificación rápida. Una estructura totalmente lamelar requiere un tratamiento térmico beta.

Aleaciones de titanio resistentes a la combustión

El titanio representa actualmente aproximadamente un tercio de la masa estructural de muchos motores modernos de turbina de gas, pero las aleaciones comunes pueden inflamarse bajo determinadas combinaciones de temperatura, presión, flujo de aire y fricción. Un incendio puede progresar desde una combustión localizada en la punta de una pala o en el borde de salida hasta un quemado completo de 360° de la carcasa en tan solo 4-20 segundos.

Las aleaciones resistentes a la combustión impiden la ignición o la propagación de las llamas. La aleación C (Ti-35V-15Cr) se utiliza en los álabes del estator, los anillos interiores y las aletas de la tobera del compresor de alta presión del motor F119. La aleación C+ incorpora Si y C para mejorar la resistencia a la fluencia. La aleación Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) está diseñada para un servicio prolongado a unos 500 °C, pero pierde resistencia a la fluencia por encima de los 510 °C y no debe superar los 520 °C. La TF550, basada en Ti-35V-15Cr-Si-C, tiene una densidad de 5,33 g/cm³ y un comportamiento de fluencia y rotura adecuado a 550 °C.

Sistemas de Ti-V-Cr

El V y el Cr pueden formar un óxido protector denso antes de la combustión, reducir la liberación de calor a través de productos volátiles, disminuir la temperatura de fusión y mejorar la dispersión del calor. La aleación C es una aleación beta con una composición nominal de 50Ti-35V-15Cr y una densidad de aproximadamente 5,34 g/cm³.³. La aleación C+ es Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Estos sistemas siguen siendo caros, difíciles de fundir y no presentan una alta conductividad por debajo de la temperatura de fusión; la conductividad térmica del Ti40 solo se multiplica por dos o por tres cerca de la temperatura de fusión o por encima de ella, por lo que la rápida disipación del calor por sí sola no puede explicar la resistencia a la combustión.

Sistemas de Ti-Al-Cu

Las aleaciones de Ti-Cu forman un Ti de bajo punto de fusión₂El cobre líquido a unos 990 °C. La fusión absorbe calor y la lubricación líquida reduce la fricción y la generación de calor. La aleación rusa BTT-1, Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr, funciona hasta unos 450 °C y se presta bien al conformado en caliente de piezas complejas. El BTT-3, Ti-18Cu-2Al-2Mo, presenta una mayor ductilidad y resistencia al fuego, y es adecuado para chapas y láminas; sin embargo, ambas aleaciones tienen una tenacidad limitada, se agrietan con facilidad y pueden presentar contracción durante la fusión.

Sistemas Ti-Nb

El Ti-45Nb comercial se utiliza en autoclaves. En los ensayos de ignición por tracción con sobrecarga, no se inflamó en oxígeno puro a 250 °C y 3,1 MPa, y también mostró una buena resistencia a la corrosión, aunque su elevada densidad limita su uso.

Compuestos intermetálicos de TiAl

Los compuestos intermetálicos de Ti-Al combinan baja densidad, alto módulo de elasticidad, resistencia a la oxidación y resistencia al fuego, con una temperatura máxima de servicio de hasta 1040 °C según los datos disponibles; sin embargo, su fragilidad a temperatura ambiente dificulta su procesamiento. El sistema Ti-Al incluye Ti₃Al, TiAl y TiAl₃. Entre 700 y 850 °C, el TiAl presenta una resistencia específica superior a la del titanio convencional y las superaleaciones de níquel, así como una rigidez específica aproximadamente 50% mayor que la de los materiales estructurales habituales de los motores.

Las palas de Gamma-TiAl desarrolladas por GE sustituyeron a las de superaleación de níquel en las etapas 6 y 7 de la turbina de baja presión del motor GEnx del Boeing 787, lo que permitió reducir la masa hasta en 72,5 kg. El Nb-TiAl también se ha aplicado a los turbocompresores de automoción y se está desarrollando para estructuras que operan a temperaturas de entre 700 y 900 °C.

Compuestos con matriz de titanio

Los compuestos de matriz de titanio reforzados con fibra de SiC continua utilizan fibra de SiC con núcleo de tungsteno o de carbono en matrices de titanio o TiAl. Combinan una elevada resistencia y rigidez específicas, baja densidad, resistencia a la fluencia y a la fatiga, y una capacidad de funcionamiento de entre 600 y 800 °C durante largos periodos y de hasta 1000 °C durante breves intervalos. Un anillo con álabes integrados puede reducir la masa del compresor en aproximadamente un 70% en comparación con los álabes y el disco separados.

SiC_f/El titanio es anisotrópico: la resistencia a la tracción longitudinal puede superar a la de la matriz en más del doble, mientras que la resistencia transversal puede ser solo la mitad de la de la matriz. Esto lo hace adecuado para piezas sometidas a cargas direccionales, como ejes de turbina, tirantes, varillas de pistón, revestimientos y resortes.

El prensado isostático en caliente o el prensado en caliente al vacío deben controlar la reacción en la interfaz, la densificación del alambre precursor y la unión por difusión con la carcasa. Las propiedades de la fibra, los recubrimientos, la calidad del precursor, la disposición de las capas, el conformado y el mecanizado influyen en el comportamiento final. SiC con matriz de Ti-1100_f/Según se ha informado, las temperaturas de los Ti blings han alcanzado los 700-800 °C, con una reducción de la masa estructural de aproximadamente 50%.

Perspectivas

Los futuros sistemas aeroespaciales requieren mayor resistencia mecánica, tenacidad, tolerancia al daño, capacidad térmica y resistencia a la oxidación, así como un menor coste. Entre las prioridades se incluyen las aleaciones tolerantes al daño, las aleaciones estructurales resistentes a la fatiga, los materiales avanzados de TiAl y los compuestos de matriz de titanio fabricados mediante solidificación rápida, metalurgia de polvos o refuerzo con fibras y partículas.

El desarrollo de materiales compuestos sigue requiriendo una mayor estabilidad, datos estadísticamente fiables sobre sus propiedades, caracterización de la brillantez, predicción de fallos y vida útil, inspección no destructiva a microescala, control concéntrico de los procesos, criterios de diseño, métodos de cualificación, lotes estables de fibras y matrices, recubrimientos resistentes a altas temperaturas, eficiencia en la producción y especificaciones de los componentes.