El titanio y sus aleaciones: Todo lo que necesita saber

1. Fuente de titanio

El titanio fue descubierto por primera vez en 1791 por un mineralogista aficionado del Reino Unido llamado Gregor. En 1795, un químico alemán llamado Klaproth bautizó esta sustancia metálica desconocida con el nombre de los dioses griegos, los Titanes, que en español se traduce como "Titanio".

El titanio es abundante en la Tierra, con más de 140 tipos conocidos de minerales de titanio. Sin embargo, las principales aplicaciones industriales proceden de la ilmenita y el rutilo. China posee 28% de las reservas mundiales de ilmenita, ocupando el primer puesto mundial.

El titanio, un elemento no tóxico universalmente reconocido, es caro debido a sus elevados costes de extracción y producción. Por su capacidad para soportar altas y bajas temperaturas, resistir ácidos y bases fuertes, su gran resistencia y su baja densidad, se ha convertido en un material especializado para cohetes y satélites de la NASA.

También se utiliza en los superproyectos de nuestro país, como el Jade Rabbit, el J-20 y el portaaviones Shandong. Tras entrar en el mercado de consumo en la década de 1980, sus propiedades naturales antibacterianas y biocompatibles lo han convertido en el "Rey de Honor" de la industria de la vajilla.

La industria china del titanio comenzó en la década de 1950. A mediados de los 60, China había establecido plantas de titanio esponjoso y de procesamiento de titanio en Zunyi y Baoji, respectivamente, lo que marcó a China como una de las potencias mundiales en la industria del titanio.

En el siglo XXI, la industria china del titanio entró en un nuevo periodo de desarrollo acelerado, con su capacidad de producción de titanio a la cabeza del mundo.

2. Diferencia entre titanio puro y aleaciones de titanio

Titanio puro

También conocido como titanio puro industrial o titanio puro comercial, se clasifica según el contenido de elementos de impureza. Presenta una excelente procesabilidad por estampación y soldabilidades insensible al tratamiento térmico y a los tipos de organización, y tiene cierta resistencia en condiciones de plasticidad satisfactorias. Su resistencia depende principalmente del contenido de elementos de separación oxígeno y nitrógeno.

Las propiedades del titanio puro industrial 99,5% son: densidad P=4,5g/cm³, punto de fusión 1800°C, conductividad térmica λ=15,24W/(M.K), resistencia a la tracción σ b=539MPa, alargamiento: δ =25%, tasa de contracción transversal ψ=25%, módulo elástico E=1,078×105MPa, dureza HB195.

Aleación de titanio

La aleación de titanio es una aleación compuesta por titanio como base y otros elementos. Es un metal relativamente joven, con una historia de sólo sesenta a setenta años desde su descubrimiento hasta ahora. Los materiales de aleación de titanio tienen características como peso ligero, alta resistencia, poca elasticidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión.

Se utilizan principalmente para piezas de motores aeronáuticos, cohetes, misiles, etc. El titanio tiene dos tipos de cristales birrefringentes homomórficos. El titanio es un isomorfo homomórfico, con un punto de fusión de 1720°C. Por debajo de 882°C, presenta una estructura cristalina hexagonal densa, denominada α titanio; por encima de 882°C, presenta una estructura reticular cúbica centrada en el cuerpo, denominada β titanio.

Utilizando las diferentes características de las dos estructuras de titanio anteriores, añadiendo los elementos de aleación apropiados y cambiando gradualmente la temperatura de transición de fase y el contenido de fase, se obtienen diferentes organizaciones de aleaciones de titanio (aleaciones de titanio).

Los elementos de las aleaciones de titanio pueden dividirse en tres categorías según su impacto en la temperatura de transición de fase:

① Fase α estable, los elementos que aumentan la temperatura de transición de fase son elementos estabilizadores α, como el aluminio, el magnesio, el oxígeno y el nitrógeno. Entre ellos, el aluminio es el principal elemento de aleación de las aleaciones de titanio, y tiene efectos evidentes en la mejora de la resistencia a temperatura ambiente y a alta temperatura de la aleación, la reducción del peso específico y el aumento del módulo elástico.

② Fase β estable, los elementos que disminuyen la temperatura de transición de fase son elementos β-estabilizantes. Pueden dividirse en isomorfos y eutécticos. Entre los primeros figuran el molibdeno, el niobio, el vanadio, etc.; entre los segundos, el cromo, el manganeso, el cobre, el silicio, etc.

③ Los elementos neutros que influyen poco en la temperatura de transición de fase son el circonio, el estaño, etc.

Tabla de marcas y composición química del titanio y sus aleaciones

Grados más utilizados:

TA1 (American Standard: Gr1)

El titanio TA1 (Gr1) es el primero de los cuatro grados de titanio puro industrial. Es el más blando y dúctil de estos grados. Tiene la mayor conformabilidad, excelente resistencia a la corrosión y alta tenacidad al impacto. El grado TA1 es el material preferido para cualquier aplicación que requiera una fácil conformabilidad, y se utiliza normalmente para placas y tubos de titanio.

TA2 (American Standard: Gr2) Grado

Debido a su diversificada y amplia disponibilidad, el titanio de grado TA2 se conoce como el "caballo de batalla" de la industria comercial del titanio puro. Comparte muchas cualidades con la aleación de titanio de grado TA1, pero es ligeramente más fuerte. Ambas son igualmente resistentes a la corrosión.

Este grado tiene buena soldabilidad, resistencia, ductilidad y conformabilidad. Esto hace que las barras y placas de titanio de grado TA2 sean la mejor opción para muchas aplicaciones en la construcción, la generación de energía y la industria médica.

TA3 (American Standard: Gr3) Grado

Este grado es el menos utilizado de los grados comerciales de titanio puro, pero eso no disminuye su valor. El grado TA3 es más resistente que los grados TA1 y TA2, con una ductilidad similar, sólo ligeramente menos conformable. Pero sus propiedades mecánicas son superiores a las de sus predecesores.

El grado TA3 se utiliza en aplicaciones que requieren una resistencia moderada y una resistencia primaria a la corrosión, como la industria aeroespacial, el procesamiento químico y la industria naval.

TA4 (American Standard: Gr4) Grado

El grado TA4 se considera el más fuerte de los cuatro grados comerciales de titanio puro. También es conocido por su excelente resistencia a la corrosión, buena conformabilidad y soldabilidad. Se utiliza en aplicaciones que requieren una gran resistencia, como algunos componentes de fuselajes, recipientes de baja temperatura, intercambiadores de calor, etc.

TA9 (American Standard: Gr7) Grado

El grado TA9 es mecánica y físicamente equivalente al grado TA2, salvo que la adición de paladio lo convierte en una aleación. El grado 7 tiene una soldabilidad y unas características excelentes, siendo el más resistente a la corrosión de todas las aleaciones de titanio.

De hecho, es el más resistente a la corrosión en ácidos reductores. El grado TA9 se utiliza para componentes de procesos químicos y equipos de producción. TA9 tiene una resistencia a la corrosión extremadamente fuerte, especialmente en ambientes ácidos reductores.

TA9-1 (American Standard: Gr11) Grado

El grado TA9-1 es muy similar al grado TA1, con una pequeña cantidad de paladio añadida para mejorar la resistencia a la corrosión, lo que lo convierte en una aleación. Esta resistencia a la corrosión puede utilizarse para evitar la corrosión por fisuras y reducir el ácido en entornos con cloruros.

Otras propiedades útiles incluyen una ductilidad óptima, conformabilidad en frío, resistencia útil, tenacidad al impacto y excelente soldabilidad. Esta aleación puede utilizarse para las mismas aplicaciones de titanio que el grado 1, especialmente cuando se requiere corrosión.

Ti 6Al-4V (norma china TC4, norma americana Gr5) Grado

El Ti 6Al-4V o titanio de grado 5, a menudo denominado el "pilar" de las aleaciones de titanio, es la más utilizada de todas las aleaciones de titanio. Representa el 50% del uso total de titanio en el mundo. Su popularidad se debe a sus numerosas ventajas.

El Ti 6Al-4V puede tratarse térmicamente para aumentar su resistencia. Puede utilizarse para soldar estructuras a temperaturas de uso de hasta 600°F. La aleación tiene una alta resistencia, una conformabilidad útil y una alta resistencia a la corrosión, todo ello sin dejar de ser ligera. La versatilidad del Ti 6Al-4V lo convierte en la aleación óptima para diversas industrias, como la aeroespacial, médica, marina y de procesamiento químico. Puede utilizarse para crear los siguientes contenidos técnicos:

• Turbinas de avión
• Piezas de motor
• Componentes estructurales de aeronaves
• Fijaciones aeroespaciales
• Piezas de automoción de alto rendimiento
• Aplicaciones marinas
• Equipamiento deportivo

Ti 6AL-4V ELI (norma china TC4ELI, norma americana Gr23) Grado

El Ti 6AL-4V ELI o TC4ELI es una forma más pura del Ti 6Al-4V. Puede fabricarse en bobinas, alambre trenzado, alambre eléctrico o alambre plano. Es la mejor elección para cualquier situación que requiera alta resistencia, ligereza, buena resistencia a la corrosión y gran tenacidad. Presenta una excelente tolerancia a los daños en comparación con otras aleaciones.

Estas ventajas convierten al grado TC4ELI en el titanio dental y médico por excelencia. Gracias a su biocompatibilidad, buena resistencia a la fatigay bajo módulo, puede utilizarse para aplicaciones biomédicas, como componentes implantables. También es útil para procedimientos quirúrgicos detallados, como:

• Clavos y tornillos ortopédicos
• Cables ortopédicos
• Ligaduras
• Implantes quirúrgicos
• Aparatos de ortodoncia
• Prótesis articulares
• Recipientes criogénicos
• Dispositivos de fijación ósea

TA10 (American Standard Gr12) Grado

El grado TA10 de titanio está clasificado como "excelente" por su soldabilidad de alta calidad. Es una aleación muy duradera que proporciona una inmensa resistencia a altas temperaturas. El titanio de grado TA10 tiene características similares a la serie 300 de acero inoxidable.

Esta aleación puede conformarse en caliente o en frío mediante moldeo por prensado, hidroconformado, conformado por estirado o martilleo por caída. Su capacidad para ser conformada de diversas maneras la hace útil en muchas aplicaciones. La alta resistencia a la corrosión de esta aleación también le confiere un valor incalculable para los equipos de fabricación que deben tener en cuenta la corrosión por hendiduras. El grado TA10 puede utilizarse en las siguientes industrias y aplicaciones:

• Carcasas e intercambiadores de calor
• Aplicaciones hidrometalúrgicas
• Fabricación de productos químicos a alta temperatura
• Componentes marinos y aeronáuticos

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn es una aleación no tratable térmicamente que ofrece buena soldabilidad y estabilidad. También tiene estabilidad a altas temperaturas, alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y buena resistencia a la fluencia. La fluencia se refiere al fenómeno de deformación plástica que se produce durante mucho tiempo a altas temperaturas. El Ti 5Al-2,5Sn se utiliza principalmente en aeronaves y fuselajes, así como en aplicaciones de baja temperatura.

Por último, se adjunta una comparación de los antiguos y nuevos grados de titanio y sus composiciones químicas según normas extranjeras y nacionales.

3. Aplicaciones del titanio y sus aleaciones

Aunque el titanio y los materiales de aleación de titanio son abundantes, sus precios son muy elevados. Esto se debe a que el titanio tiene una baja actividad química a altas temperaturas, lo que hace que su tecnología de fundición y su entorno operativo sean bastante exigentes. Debe fundirse a alta temperatura y en condiciones de vacío, alcanzando a menudo temperaturas superiores a 800℃.

Esto hace que sea mucho más difícil que la fundición de acero. Por eso, cuando se habla de aleaciones de titanio, se piensa que es un metal de gama alta, de baja producción y alto precio, por lo que apenas se utiliza.

En la actualidad, debido a las excelentes propiedades de las aleaciones de titanio -son ligeras, de alta resistencia y resistentes al calor-, el titanio y los materiales de aleación de titanio se utilizan ampliamente en la fabricación de armas de última generación e importantes instrumentos nacionales, sobre todo en la industria aeroespacial. He aquí algunos ejemplos de sus aplicaciones en la industria química:

1. Industria de producción de álcalis

La introducción de refrigeradores de titanio en la industria de producción de álcalis ha resuelto eficazmente el problema del cloro gaseoso de calidad inferior producido debido al poco razonable proceso de refrigeración tradicional. También ha cambiado la faz de la industria cloroalcalina, ya que los refrigeradores de aleación de titanio invertidos pueden tener una vida útil de hasta 20 años.

2. Industria de producción de sal

La tecnología de producción de sal más avanzada utilizada actualmente es la producción de sal al vacío. La salmuera concentrada a alta temperatura que se produce durante este proceso puede causar graves daños a las estructuras de acero al carbono, provocando fugas en los equipos.

La implantación de una estructura compuesta de titanio y acero en las cámaras de calentamiento y evaporación puede evitar eficazmente la formación de incrustaciones de sal, mejorar la calidad de la sal y reducir el impacto de la corrosión de la salmuera de alta concentración en las paredes de las tuberías durante el proceso de evaporación, alargando así el ciclo de mantenimiento.

Industria aeroespacial

1. Industria aeronáutica

Las aleaciones de titanio utilizadas en aviación se dividen en aleaciones de titanio estructurales para aeronaves y aleaciones de titanio estructurales para motores. Las principales aplicaciones de las estructuras de aleación de titanio en aeronaves incluyen componentes del tren de aterrizaje, bastidores, vigas, pieles del fuselaje y escudos térmicos. El avión Il-76 de Rusia utiliza la aleación de titanio BT22 de alta resistencia para fabricar componentes clave como el tren de aterrizaje y las vigas de carga.

El travesaño del tren de aterrizaje principal del Boeing 747 está hecho de material Ti-6Al-4V, con una pieza forjada que mide 6,20 metros de largo y 0,95 metros de ancho, y pesa hasta 1545 kilogramos. La aleación de titanio Ti-62222S de alta resistencia y tenacidad se utiliza en piezas cruciales del eje estabilizador horizontal del avión C-17.

En cuanto a los motores de aviación, las aleaciones de titanio se utilizan en discos compresores, álabes, tambores, rotores de compresores de alta presión y carcasas de compresores. El borde de ataque y la punta del aspa del ventilador del motor Boeing 747-8GENX están protegidos por una carcasa de aleación de titanio, que sólo se ha sustituido tres veces en un periodo de servicio de 10 años.

2. Industria espacial

Las condiciones de trabajo de las naves espaciales son extremadamente duras. Aparte de la necesidad de un diseño técnico superior en los materiales, las excelentes características y funciones de los propios materiales también son cruciales, lo que hace que las aleaciones de titanio destaquen entre muchos materiales.

En el campo de los equipos espaciales, durante el programa Apolo de Estados Unidos en la década de 1960, la cabina para dos personas de la nave espacial, las vigas de las alas de la cabina cerrada y las costillas estaban hechas de Ti-5Al-2,5Sn, con revestimientos de titanio puro.

La empresa alemana MT Aerospace ha fabricado un tanque de almacenamiento del sistema de propulsión de aleación Ti-15V-3Cr de alta resistencia, que se utiliza en la gigantesca plataforma del satélite de comunicaciones europeo Alpha.

Hay muchos ejemplos de la aplicación de las aleaciones de titanio rusas en la ingeniería espacial, como el uso de una gran forja y forjado de aleación de titanio BT23 de 3,5 toneladas en el cohete de carga Energia. Además, las aleaciones de titanio también se utilizan en los depósitos de combustible de los motores de cohetes de combustible líquido, en los tanques de almacenamiento de líquidos a baja temperatura y en los impulsores de las bombas de hidrógeno líquido.

Del mismo modo, en el rápido desarrollo de la ingeniería espacial nacional, las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente. Desde el satélite Dongfang 1 en 1970 hasta las actuales naves espaciales de la serie Shenzhou y las sondas lunares Chang'e, se han utilizado aleaciones de titanio.

Además, el cilindro de gas de aleación de titanio TA7ELI de baja temperatura desarrollado por China para su uso en un entorno de hidrógeno líquido se ha utilizado en la serie Long March de vehículos de lanzamiento. El Instituto de Tecnología de Harbin ha utilizado la aleación de titanio TC4 para fabricar las llantas de los vehículos lunares. Además, China también ha utilizado BT20 y otras aleaciones de titanio de alta resistencia para fabricar las carcasas de los motores y las toberas de los misiles.

3. Aplicaciones marítimas

El titanio y sus aleaciones se utilizan ampliamente en submarinos nucleares, sumergibles profundos, rompehielos atómicos, hidrodeslizadores, aerodeslizadores, dragaminas, así como en hélices, antenas de látigo, tuberías de agua de mar, condensadores, intercambiadores de calor, dispositivos acústicos y equipos de extinción de incendios. Por ejemplo, la U.S.

El sumergible profundo "Sea Cliff" está equipado con una cabina de observación y una cabina de control de titanio, capaz de sumergirse a profundidades de hasta 6100 m. Toho Titanium Company de Japón, en colaboración con Fujin Shipbuilding, construyó el "Mori Support Heaven II", una lancha rápida de titanio que disfrutó de un periodo de grandes ventas en EE.UU. El primer sumergible tripulado de diseño propio e integrado de China, el "Jiaolong", también emplea aleaciones de titanio y cubre el 99,8% de las regiones oceánicas del mundo.

4. Problemas actuales y perspectivas del titanio y sus aleaciones

A pesar de los importantes avances en el desarrollo del titanio y sus aleaciones, persisten algunos retos. Estos retos se dividen principalmente en tres categorías:

1) Producción

China es un actor importante en la industria del titanio, pero la cantidad de productos de alta calidad que produce es baja, y hay escasez de productos de titanio con características especiales.

Además, China aún no tiene capacidad para producir en serie tiras de titanio y perfiles de titanio extruido. Esta limitación dificulta el desarrollo y la utilización del titanio y sus aleaciones en los ámbitos aeroespacial y marino. El objetivo de seguir aumentando el uso de titanio en los motores de aviación hasta unos 50% sigue siendo un reto considerable.

2) Rendimiento

El titanio es muy activo químicamente, por lo que es susceptible de contaminación por otros elementos. Esto exige un alto nivel de precisión en el procesamiento y la fabricación de aleaciones de titanio.

Además, los productos de alto rendimiento resultantes requieren una evaluación exhaustiva de sus propiedades mecánicas, físicas, químicas y tecnológicas. La drástica disminución de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas por encima de 600 °C son los dos principales obstáculos a la ampliación de la aplicación de las aleaciones de titanio existentes.

3) Costes

En la actualidad, se están realizando esfuerzos en todo el mundo para reducir los costes de aplicación de las aleaciones de titanio, y se han logrado avances considerables.

Sin embargo, en lo que respecta a la situación actual de China, los niveles de gestión y tecnológicos del país aún no han alcanzado un estado ideal. Sus productos de aleación de titanio de producción nacional carecen de precios competitivos a escala internacional, lo que va en detrimento de su uso más generalizado.

En la actualidad, los principales campos de aplicación de las aleaciones de titanio siguen siendo los sectores industrial aeroespacial y militar. Sin embargo, las perspectivas de desarrollo de nuevos campos de aplicación, como los automóviles, los trenes, los ferrocarriles de alta velocidad e incluso los sectores civiles cotidianos, siguen siendo enormes.

Además, la sustitución de elementos de aleación caros por otros más baratos, así como la reducción del coste de los componentes de aleación de titanio por medios tecnológicos, son temas importantes en la investigación futura sobre aleaciones de titanio. Una vez que las aplicaciones de gama alta de las aleaciones de titanio consigan fabricarse a bajo coste, se utilizarán en diversos campos.