¿Cuáles son los tipos de aleaciones de titanio, sus tratamientos térmicos y sus aplicaciones?

El titanio y las aleaciones de titanio superan al aluminio y a las aleaciones de aluminio en cuanto a resistencia mecánica, resistencia al calor y resistencia a la corrosión. Se utilizan ampliamente en la aviación, el sector aeroespacial, el procesamiento químico, los misiles y las embarcaciones marítimas. Sin embargo, el titanio se vuelve extremadamente reactivo a altas temperaturas. Por lo tanto, la fusión, el vertido, la soldadura y el tratamiento térmico deben realizarse al vacío o en una atmósfera inerte. Estas estrictas condiciones de procesamiento y los elevados costes limitan su uso generalizado.

Titanio comercialmente puro

El titanio es un metal de color blanco plateado con un punto de fusión de 1.680 °C y una densidad de 4,5 g/cm³. Es más pesado que el aluminio, pero más ligero que el acero. Su resistencia es aproximadamente seis veces mayor que la del aluminio, lo que le confiere una elevada resistencia específica. El titanio también presenta una alta ductilidad, buena resistencia al calor y un bajo coeficiente de expansión térmica, por lo que la tensión térmica es relativamente baja durante su uso a altas temperaturas o en la conformación en caliente.

El titanio presenta una excelente resistencia a la corrosión en ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, hidróxido de sodio y otras soluciones alcalinas, así como en entornos húmedos y en agua de mar. No es resistente al ácido fluorhídrico. El titanio es estable en la atmósfera, ya que en su superficie se forma una densa película de óxido que conserva su brillo metálico. Sin embargo, por encima de los 600 °C, la película pierde su efecto protector.

El titanio presenta dos formas alotrópicas. Por debajo de los 882,5 °C, la estructura estable es la del α-Ti, de empaquetamiento hexagonal compacto. Entre los 882,5 °C y el punto de fusión, la estructura estable es la del β-Ti, de red cúbica centrada en el cuerpo.

El titanio comercialmente puro (titanio CP) se clasifica en diferentes grados según los niveles admisibles de elementos intersticiales y de impureza. Estas impurezas influyen en la resistencia, la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Los grados habituales en los sistemas ASTM incluyen los grados 1, 2, 3 y 4, y la fuente identifica el grado 2 como uno de los más utilizados para aplicaciones industriales generales. Esta declaración describe el marco internacional del titanio CP y no establece una correspondencia exacta con los grados de titanio CP chinos.

El titanio CP combina una buena resistencia a la corrosión con una resistencia mecánica moderada. Es adecuado para piezas que no requieren una resistencia mecánica muy elevada, pero que sí exigen resistencia a la corrosión, como los revestimientos y estructuras de aeronaves, los equipos de procesamiento químico, los reactores, los intercambiadores de calor y los equipos de desalinización de agua de mar.

Normalmente, el titanio CP no puede endurecerse mediante un tratamiento térmico convencional. El trabajo en frío puede aumentar su resistencia. Sus principales tratamientos térmicos son el recocido de recristalización y el recocido de alivio de tensiones, que restauran la ductilidad, reducen las tensiones residuales y mejoran la estabilidad dimensional.

Composición, microestructura, clasificación y denominaciones

Elementos de aleación

Se añaden elementos de aleación al titanio para aumentar su resistencia. Los elementos disueltos en el α-Ti forman una solución sólida α, mientras que los disueltos en el β-Ti forman una solución sólida β. El aluminio, el carbono, el nitrógeno, el oxígeno y el boro elevan la temperatura de transformación alotrópica α/β y se denominan elementos estabilizadores de α. El hierro, el molibdeno, el magnesio, el cromo, el manganeso y el vanadio reducen la temperatura de transformación y se denominan elementos estabilizadores de β. El estaño y el circonio tienen poco efecto sobre la temperatura de transformación y se consideran elementos neutros.

Clases de microestructura

Según su microestructura en estado de servicio o recocida, las aleaciones de titanio se clasifican en aleaciones α, aleaciones β, aleaciones (α+β) y aleaciones «casi α», que contienen una pequeña cantidad de fase β. Las denominaciones de las aleaciones chinas utilizan los prefijos TA, TB y TC, seguidos de un número, para estos tres grupos principales de aleaciones. Según sus prestaciones, las aleaciones de titanio también pueden describirse como aleaciones de baja, media o alta resistencia.

Tratamiento térmico de las aleaciones de titanio

Recocido de alivio de tensiones

El recocido de alivio de tensiones elimina las tensiones internas producidas por el mecanizado o la soldadura. La fuente indica una temperatura habitual de entre 450 y 650 °C, un tiempo de mantenimiento de entre 1 y 4 horas y un enfriamiento al aire.

Recocido de recristalización

El recocido de recristalización elimina el endurecimiento por deformación. Las temperaturas habituales oscilan entre los 550 y los 690 °C para el titanio puro y entre los 750 y los 800 °C para las aleaciones de titanio, con un tiempo de mantenimiento de entre 1 y 3 horas, seguido de un enfriamiento al aire.

Temple y envejecimiento

El temple y el envejecimiento aumentan la resistencia y la dureza de la aleación. Las aleaciones de titanio α no suelen someterse a temple ni a envejecimiento. En el caso de las aleaciones β y las aleaciones (α+β) que contienen niveles relativamente altos de elementos estabilizadores, la temperatura de temple se suele seleccionar en la parte superior de la región bifásica α+β. La fuente indica una temperatura de entre 760 y 950 °C, un tiempo de mantenimiento de entre 5 y 60 minutos y enfriamiento con agua.

Tras el temple, permanece cierta fase α, mientras que la fase β se vuelve metaestable. Durante el envejecimiento, la fase α dispersa se precipita a partir de la fase β metaestable, lo que aumenta la resistencia y la dureza. La microestructura del Ti-6Al-4V templado y envejecido contiene fases α+β en forma de bloques y fase α acicular. Durante el calentamiento hay que evitar la contaminación, la oxidación y el sobrecalentamiento. Una vez que los granos β han crecido en exceso, el tratamiento térmico no puede restaurar el tamaño original de los granos.

Tipos y aplicaciones habituales de las aleaciones de titanio

Aleaciones de titanio alfa

Las aleaciones de titanio α están compuestas íntegramente por una solución sólida α y, por lo tanto, presentan una buena tenacidad y ductilidad. Pueden someterse a conformado en frío para obtener productos semiacabados, como chapas y barras. Su microestructura es estable a altas temperaturas, con buena resistencia a la oxidación y resistencia en caliente. Entre 500 y 600 °C, su resistencia es la más alta de las tres clases principales de aleaciones de titanio, aunque su resistencia a temperatura ambiente suele ser inferior a la de las aleaciones β y (α+β). Una aleación representativa es la Ti-5Al-2,5Sn, utilizada para los depósitos de combustible de misiles y las carcasas de las turbinas de aviones supersónicos.

Aleaciones de titanio beta

Las aleaciones de titanio totalmente en fase β rara vez se utilizan a nivel industrial debido a que presentan una densidad relativamente alta, una escasa resistencia al calor y una baja resistencia a la oxidación. Por encima de los 700 °C, se contaminan fácilmente con gases impuros presentes en la atmósfera, y su proceso de producción es complejo. Sin embargo, la estructura cúbica centrada en el cuerpo proporciona una buena ductilidad, lo que ha llevado al desarrollo de aleaciones de titanio β metaestables. Una aleación representativa es la Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Se utiliza generalmente a temperaturas inferiores a 350 °C para piezas giratorias sometidas a grandes cargas, como álabes de compresores, ejes y discos.

Aleaciones de titanio alfa-beta

Las aleaciones de titanio (α+β) combinan las ventajas de las aleaciones α y β. Ofrecen una buena resistencia al calor y ductilidad, pueden reforzarse mediante tratamiento térmico y su fabricación es relativamente sencilla. La Ti-6Al-4V es la aleación más utilizada de este grupo. Es adecuada para componentes de motores que requieren resistencia a temperaturas elevadas por debajo de los 400 °C y para componentes de depósitos de combustible de hidrógeno líquido utilizados a baja temperatura en cohetes y misiles.

Los turbocompresores para motores de automóvil fabricados en aleación de titanio y las palas forjadas con precisión para motores de avión son componentes representativos.

Composiciones, propiedades y usos representativos