Metalurgia del Titanio Vázquez Vázquez, Daniel
Contenido Introducción
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Extracción y producción de óxido de titanio de alta pureza
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............................................................... ............................................ ................................. ........... 5 Proceso del sulfato ......................................... ............................................................... ............................................. ..................................... .............. 5 Proceso del cloro ......................................... ......................................... .............. 7 Extracción y producción de titanio metal ............................
Paso de rutilo a tetracloruro de titanio ........................................ ......................................................... .................. 7 ............................................................................. .................... 10 Obtención del titanio metal .......................................................... ................................................................. ............................................ ...................................... ................ 10 Proceso Kroll ........................................... ................................................................. ............................................. .................................. ............ 11 Proceso Hunter .......................................... .................................................................................. ................................... ............ 11 Refinado del metal . ........................................................... ........................ 13 Tratamiento posterior primario. Fabricación primaria ........................
Tratamiento posterior secundario. Fabricación secundaria. ............... 13 ................................................................... ............................................. ............................................. ....................... 13 Fundición ............................................ ............................................................................... ........................... ..... 14 Aleaciones del titanio .......................................................... ................................................................ ............................................ ........................... ..... 14 Estructura cristalina .......................................... ............................................................ ................ 14 14 Sistema de nomenclatura del titanio ............................................ ................................................................ ............................................ ...................................... ................ 15 Aleaciones alfa .......................................... ................................................................. ............................................ ........................... ..... 17 Aleaciones alfa-beta ........................................... ................................................................... ............................................. .................................. ............ 17 Aleaciones beta ............................................ ................................................................... ............................... ........ 18 Incremento de la resistencia ............................................. .............................................................. .................... 18 Endurecimiento por solución sólida ........................................... ................................................................. ....................... 18 Endurecimiento por precipitación ........................................... .................................................................. ............................................. ............................................. ....................... 19 Recocido ........................................... .................................................................. ............................................ ............................... ......... 19 Alivio de tensión ............................................ ................................................................................ ....................... 19 Fabricación con titanio .......................................................... ................................................................. ............................................ .......................................... .................... 19 Conformado ........................................... ................................................................ .......................................... .................... 20 Conformado en caliente .......................................... ................................... 20 20 Preconformado en frío y dimensionado en caliente ...................................
Mecanizado ............................................................................................................ 20 Unión ........................................................................................................................ 20
Propiedades del titanio ................................................................................ 21 Densidad ................................................................................................................. 21 Resistencia a la corrosión ................................................................................. 22
Bibliografía ........................................................................................................... 24
Introducción El titanio fue aislado por primera vez en el año 1887 y fue solo una curiosidad de laboratorio hasta el año 1938, año en el que el profesor Kroll, del M.I.T., desarrolló el primer proceso comercial para la producción de titanio. En la década de 1950 el titanio empezó a usarse en aeronaútica debido a sus propiedades. El titanio es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre que existe, pero la dificultad de su extracción provoca un incremento en su precio. Las aleaciones del titanio se clasifican como alfa, alfa-beta, o beta. Las aleaciones de titanio pueden recibir un tratamiento térmico para desarrollar una alta relación robustez-peso comparables a las aleaciones de magnesio y aluminio. Sin embargo, el uso de aleaciones de titanio está limitado a tecnología aeronáutica, procesos químicos, y aplicaciones navales debido a los altos costes de producción y dificultades en la soldadura. Las aleaciones de titanio reciben endurecimiento por solución o endurecimiento por precipitación. Este último es también conocido como endurecimiento por envejecimiento. Los problemas que presentan las aleaciones de titanio son; dificultad para conformarlas, trabajarlas, o unirlas mediante soldadura. Los dos atributos más importantes del titanio y de sus aleaciones son su baja densidad y su excelente resistencia a la corrosión. Como apunte su temperatura de fusión es muy elevada, siendo de aproximadamente 1668ºC. La producción total de titanio se estima en aproximadamente 5,8 millones de toneladas anuales como dióxido de titanio, el cual representa sobre el 95% del total del titanio producido anualmente. Como se puede observar la producción de titanio metal es significativamente más pequeña que la del óxido de titanio. Los usos del dióxido de titanio son muchos y variados, entre ellos agente de relleno de grageas, píldoras, pinturas, cerámicas, plásticos, papel, etc. Esto es debido a su gran poder de cubrimiento, su fino tamaño de partícula y su color blanco. El titanio metal, al igual que el dióxido de titanio, no tienen ninguna toxicidad. Esto permite los usos del dióxido de titanio ya mencionados y el hecho de que el titanio metal se utilice en implantes dentales y auriculares, por ejemplo.
Extracción y producción de óxido de titanio de alta pureza Como ya se ha mencionado, este es el mayor producto obtenido del titanio. Las principales menas del titanio son el rutilo (TiO 2) y la ilmenita (FeOTiO 2), y son muy abundantes. El óxido de titanio calidad pigmento puede obtenerse mediante una purificación del rutilo, o a partir de la ilmenita. Este último caso es más complicado y será el explicado a continuación. A partir de la ilmenita, existen dos métodos de producción. El proceso del sulfato, que originalmente producía un óxido de titanio de menor calidad denominado anatasa, y posteriormente fue modificado para alcanzar la calidad exigida, y el proceso del cloro.
Proceso del sulfato La ilmenita se trata con ácido sulfúrico concentrado (50%), en unas condiciones de temperatura en torno a los 120-140ºC para formar el oxisulfato de titanio (TiOSO 4), sulfato ferroso, y sulfatos de los otros metales presentas en la mena como impurezas (1). A continuación se hace cristalizar el TiSO 4 (2). Después, se hace precipitar el
oxisulfato por hidrólisis a la forma de anatasa (3) , la cual se calcina a 900-1000ºC para transformarlo en rutilo calidad pigmento (4).
Los cristales de rutilo deben lavarse después de su separación de la solución resultante ya que contendrán sulfato ferroso, el cual tiene un color amarillo-verdoso, que debe ser eliminado completamente con el fin de que el rutilo cumpla las exigencias de calidad. Este proceso es empleado actualmente a gran escala. Sin embargo, el proceso del cloro explicado a continuación se emplea más.
Proceso del cloro Este proceso puede aplicarse con cloro gaseoso y coque como reductor, o bien con ácido clorhídrico. La diferencia será entre si se produce cloración total o solo del hierro. a) Cloración total
Este proceso fue desarrollado en Estados Unidos en la década de los años cincuenta por la empresa Dupont y ha encontrado gran aplicación en todo el
mundo. Este proceso consume bastante cloro ya que se produce como subproducto cloruro férrico, el cual generalmente no tiene aplicación. La reacción solo ocurre en forma de coque ya que si no no sucede la cloración del TiO2 debido a la variación de energía libre de Gibbs positiva, como puede verse en la figura 1.
Figura 1: Energías libres de formación de algunos cloruros con cloro gaseoso a partir de sus óxidos
La reacción global es la que sigue:
Una vez clorado, el cloruro de hierro y el de titanio se separan mediante destilación extractiva gracias a la enorme diferencia entre sus puntos de ebullición, 315ºC y 136,5ºC respectivamente. Este cloruro de titanio purificado se hace luego reaccionar con oxígeno en una temperatura cercana a 400-600ºC, con lo que se consigue formar rutilo sintético y regenerar el cloro. Esto de nuevo es debido a que la energía libre de Gibbs del TiO2 es más negativa que la de formación del TiCl 4
Este rutilo debe luego molerse ya que contiene cristales de diferentes tamaños. Después se calcina a 850-900ºC para obtener la forma cristalina requerida del rutilo calidad pigmento. b) Cloración parcial Si no se emplea el coque, solo se producirá la cloración del hierro. Para realizar esta cloración se utiliza cloruro de hidrógeno a 300-350ºC, aunque puede emplearse también cloro gaseoso, pero es más caro.
Observando la expresión de la variación de la energía libre de Gibbs, si sacamos sus raíces se puede observar que la temperatura de la inversión es sobre 440ºC. El rutilo obtenido a partir de aquí es muy fino, y tras lavarlo con agua caliente se seca para obtener TiO 2 calidad pigmento. Debe comprobarse que se cumpla el estricto estándar de color, tamaño de partícula, y estructura cristalina para asegurar la calidad del rutilo obtenido.
Extracción y producción de titanio metal En primer lugar será necesario llegar al titanio metal, a partir del cual se aplicará un refino para alcanzar la elevada pureza necesaria.
Paso de rutilo a tetracloruro de titanio Para la reducción se necesita partir del tetracloruro de titanio, el cual se alcanza a partir del rutilo o la ilmenita según lo explicado anteriormente; reacción con coque a altas temperaturas. En caso de partir de la ilmenita se debe haber eliminado completamente el cloruro férrico. En el caso de rutilo, la cloración se efectúa en dos tipos de reactores. Reactores de crisol y reactores de plato giratorio. En ambos casos se hace con una mezcla del óxido de titanio, coque y brea.
En el reactor de plato giratorio la mezcla de TiO2, coque y brea se homogeniza previamente en un mezclador y luego se calienta a 800-900ºC. En la primera sección se eliminan los orgánicos volátiles de la brea y en la segunda se agrega cloro gaseoso para producir la reacción de cloración.
El gas, que contiene TiCl 4, CO 2 y CO se enfría para condensar el cloruro de titanio. En cuanto a las concentraciones de monóxido y dióxido de carbono, dependiendo del exceso de coque y de la temperatura a la que se trabaje, puede haber más de uno que de otro, tal y como muestra la figura 2.
Figura 2: Composición del gas de salida de un clorador de rutilo e n función de la temperatura
El otro tipo de reactor, el reactor de crisol , es más utilizado, y consiste en lo siguiente. Existe un reactor vertical revestido internamente con ladrillos de magnesita (MgO) al cual se alimenta rutilo, coque y brea en forma de pellets de un diámetro aproximado
de 2 centímetros. Se incrementa la temperatura del reactor mediante un arco eléctrico interno hasta 900-1000ºC y se inyecta cloro gas por la parte inferior del mismo. El gas conteniendo el cloruro de titanio, monóxido y dióxido de carbono es limpiado en ciclones calientes y luego condensa el cloruro de titanio mediante un quench de este mismo cloruro de titanio líquido previamente enfriado a 40-50ºC en un intercambiador de calor. El cloruro de titanio líquido es a continuación purificado para eliminar cualquier otro cloruro que pudiera haberse formado, como cloruro férrico, oxicloruros de vanadio (VOCl3 y VOCl2), cloruro de aluminio (AlCl 3) y otros dependiendo del tipo de impurezas que se mantuvieran. Estos, a excepción de los oxicloruros de vanadio, son insolubles en el TiCl 4. Además, los oxicloruros de vanadio tampoco pueden separarse por destilación o condensación ya que sus puntos de ebullición son muy cercanos (127ºC para el VOCl 3, por tanto para eliminarlos será necesario hacerlos precipitar con H 2S como sulfuro de vanadio (V 2S5).
Figura 3: Reactor vertical de crisol para la cloración de rutilo con cloro gaseoso
Obtención del titanio metal El titanio metálico se obtendrá por metalotermia. Existen dos procesos para obtenerlo, el proceso Kroll, que utiliza magnesio como metal reductor, y el proceso Hunter, que utiliza sodio
Proceso Kroll Se trabaja en batch, es decir, que no es un proceso contínuo. Se utilizan cargas de 500 a 2000 kg de titanio producido y se utiliza magnesio como agente reductor. Los reactores son de acero al carbono, y deben ser tratados previamente mediante hidrógeno a 500-600ºC para reducir cualquier óxido de hierro presente. Esto es necesario porque el titanio metal sobre 800ºC reacciona con el óxido de hierro reduciéndolo y volviendo a formar TiO 2 sólido. Los reactores tienen calefacción externa mediante quemadores de gas o electricidad. El tiempo de operación va de media hora hasta una hora. El reactor estará lleno de magnesio líquido a 850-900ºC. Se alimenta el tetracloruro de titanio líquido lentamente y este se vaporizará y reaccionará con el magnesio líquido generando cloruro de magnesio líquido
Como se puede ver, la reacción es fuertemente exotérmica. Por ello es necesario tener un control de la temperatura máxima (950ºC). El control de esta temperatura es la propia adición del tetracloruro de titanio al reactor, ya que entra a una temperatura mucho menor que la interna y consume parte de la energía en vaporizarse. Además debe tenerse en cuenta que para evitar la reoxidación del titanio no puede tenerse una atmósfera oxidante, y por ello se utiliza una atmósfera de gases inertes nobles, como el helio o el argón. Los reactores suelen tener un sistema de sello hidráulico que permiten mantener la presión interna en torno a una atmósfera. Una vez terminado el ciclo de reducción, el cual se considera acabado al consumirse en torno al 80-85% de magnesio, se enfría el reactor y se abre. Se puede observar que el titanio ha formado una esponja en la pared del reactor, y esta está contaminada con restos de magnesio y cloruro de magnesio, por lo que es necesaria una purificación mediante lixiviación con ácido clorhídrico que elimina el exceso de magnesio para producir más cloruro de magnesio. Todo este cloruro de magnesio es capaz de reciclarse electrolíticamente.
Figura 4: Reactor abierto mostrando el depósito de esponja de titanio con magnesio residual y cloruro de magnesio
La esponja de titanio se muele y compacta para formar un lingote. Se funde en un horno con un crisol de cobre refrigerado, mediante un arco eléctrico de electrodo consumible en atmósfera inerte. Con esto se produce un lingote sólido de titanio que va desde 500 a 1000 kg para su posterior laminación. Todas estas operaciones se realizan en batch y eso explica el alto coste, de aproximadamente 28$/kg
Proceso Hunter El proceso Hunter es como el proceso Kroll pero emplea sodio. Esto hace que el proceso Hunter sea más difícil de operar y de mayor costo debido a que el sodio se oxida al contacto con el aire y es más caro que el magnesio. Sin embargo, al compactar la esponja, debido a que al usar sodio la esponja resultante es granular el proceso de compactación se facilita. Aun así su empleo es relativamente bajo actualmente.
Refinado del metal El titanio es uno de los metales que puede ser refinado mediante el método del yodo. Existen dos procesos, el Van Arkel-DeBoer. Consiste en formar un yoduro volátil que luego se descompone a alta temperatura. El objetivo de esto es conseguir titanio de alta pureza. El titanio de una pureza de 99% solo o formando parte de aleaciones tiene aplicaciones importantes en medicina en forma de implantes dentales y prótesis de reemplazo de huesos. Esto es así porque como ya se dijo anteriormente, el titanio no es tóxico para
el cuerpo humano. Sin embargo este titanio cuesta entre cuatro y cinco veces más que el titanio de calidad metalúrgica estándar. El proceso Van Arkel consiste en calentar un reactor cerrado mediante un filamento de tungsteno el titanio impuro, y yodo. dependiendo de la temperatura se obtendrán distintos yoduros. A baja temperatura se forma el tetrayoduro de titanio gaseoso y a alta temperatura se forma el diyoduro de titanio gaseoso.
Estos yoduros volátiles se descompondrán a continuación en un filamento de tungsteno calefactado por resistencia eléctrica a una temperatura aproximada de 1400 ºC.
Así al filamento de tungsteno queda adherido un depósito de titanio macizo muy puro. Además a esta temperatura de operación, los yoduros de las impurezas (Fe, Mn, etc) no son volátiles, de ahí el incremento de pureza.
Figura 5: Proceso Van Arkel-DeBoer
Tratamiento posterior primario. Fabricación primaria La fabricación primaria consiste en operaciones de trabajado mecánico que convierte los lingotes de titanio en productos generales. Estos productos incluyen piezas, barras, placas, láminas y bandas. El lingote es reducido a piezas utilizando prensas dentadas. Esta reducción se produce a una temperatura que provoca el refinamiento del grano. Las propiedades finales de las aleaciones específicas están fuertemente influenciadas por la cantidad de reducción y el rango de temperatura. Las piezas son laminadas en barras, placas, láminas y bandas. Es necesario un control estricto de temperatura para alcanzar las propiedades requeridas. El control de los parámetros de operación durante la fabricación primaria es importante porque las operaciones de fabricación secundaria normalmente tienen poco o ningún efecto en las características metalúrgicas. Por esto, las operaciones de fabricación secundarias no pueden ser utilizadas para modificar las propiedades del producto final.
Tratamiento posterior secundario. Fabricación secundaria. La fabricación secundaria consiste en las operaciones que convierten los productos primarios en productos finales. Las operaciones más importantes son extrusión y forjado en estampa. El forjado en estampa es la reducción mecánica de piezas bajo condiciones de temperatura específicas para obtener propiedades que no se pueden conseguir en las propias piezas. La extrusión se utiliza para obtener productos con forma de varilla y tubos.
Fundición El titanio se funde raramente. Las propiedades mecánicas de las fundiciones de titanio son similares a las de las aleaciones forjadas de composición química equivalente, exceptuando la resistencia a la fatiga que es normalmente inferior. Al contrario que muchos sistemas aleados, las composiciones forjadas no requieren modificaciones para mejorar la capacidad de fundición. Para fundiciones resistentes a la corrosión, el titanio puro comercial grado 1, grado 2, y grado 3 proporcionan la mayoría de las aplicaciones. Para industrial aeronautica y marina, el Ti-6A1-4V es la aleación dominante.
Para producir fundiciones, las aleaciones son fundidas en crisoles enfriados mediante agua. Después son bombeadas centrífugamente a vacío en moldes de grafito.
Aleaciones del titanio Las aleaciones del titanio se dividen en alfa, alfa-beta y beta según su estructura cristalina en condiciones normales de temperatura. Las aleaciones alfa se subdividen en aleaciones de titanio puro comerciales y aleaciones alfa o casi alfa, las cuales tienen mayor cantidad de elementos aleados.
Estructura cristalina La estructura cristalina del titanio puro es hexagonal compacta (CPH, alfa). Sobre los 882ºC , el titanio cambia su estructura cristalina mediante transformación alotrópica a cúbica centrada en el cuerpo (BCC, beta). Esta temperatura de transformación alotrópica se ve afecta por la cantidad de impurezas en el titanio o por los elementos aleados. La adición de aluminio estabiliza la fase alfa e incrementa la temperatura de transformación alotrópica. En contraste con esto, el cromo, el molibdeno y el vanadio, así como otros elementos, estabilizan la fase beta y provocan una disminución de la temperatura de transformación alotrópica. Con cantidades grandes de estabilizadores de la fase beta, la fase beta es estable en condiciones normales de temperatura (temperatura ambiente)
e incluso por debajo de estas. Cuando existen tanto
elementos estabilizadores de las fases alfa y beta, algo de fase beta está presente en la matriz alfa a temperatura normal. Las aleaciones de titanio tienen tres tipos básicos de microestructuras, alfa, alfa-beta y beta. En las aleaciones alfa-beta, la relación alfa-beta es importante porque influye en el tamaño del grano, capacidad de trabajarla, tenacidad y soldabilidad.
Sistema de nomenclatura del titanio La nomenclatura UNS (Sistema Unificado de Numeración) para el titanio y sus aleaciones proporciona un sistema ordenado de clasificación. También se usan denominaciones basadas en la composición nominal, como por ejemplo Ti-6A1-4V, o por el número del grado. La nomenclatura UNS consiste en la letra R, para metales y aleaciones reactivos y refractarios, seguida por cinco números. Las aleaciones del titanio ocupan los números entre el R50000 y el R59999. Por ejemplo, el titanio de grado 2 es el R50400. Fundiciones y aleaciones forjadas equivalentes tienen el mismo nombre UNS.
Figura 6: Nomenclatura de aleaciones del titanio
Los estándares de la ASTM (American Section of the International Association for Testing Materials) incluyen las , láminas, bandas y tuberias soldadas, barras, piezas, placas, fundiciones y forjas. Estos estándares referencian a la denominación de la UNS además de al grado o denominación composicional tradicionales.
Aleaciones alfa Las aleaciones de titanio puro comerciales abarcan a las aleaciones alfa con cantidades extremadamente pequeñas de elementos intersticiales, como nitrógeno, oxígeno y carbón. La diferencia principal entre los distintos grados de titanio pura comercial es el contenido de elementos intersticiales. Otra diferencia es el contenido en hierro, el cual debe estar seriamente restringido para aplicaciones específicamente corrosivas. Las aleaciones de mayor pureza, que tienen menos elementos intersticiales, tienen más baja resistencia, dureza y una temperatura de transformación alfa-beta menor. Los grados 1(R50250), 2 (R50400), 3 (R50550) y 4 (R50700) comprenden cuatro aleaciones puras comerciales que tienen un contenido en elementos intersticiales que aumenta progresivamente según el grado, y consistentes sobre todo en oxígeno. Aunque la resistencia aumenta con el contenido en elementos intersticiales, las aleaciones puras comerciales tienen de baja a intermedia resistencia comparadas con otras aleaciones de titanio. El grado 2 y el grado 3 se utilizan en industria química para recipientes y tuberias. También se utilizan para la industria naval, aeronautica y componentes de motores. Los grados 3 y 4 se utilizan en aplicaciones de aeronáutica que requieran una resistencia mayor, como bombas, válvulas y tuberías.
Figura 7: Cambio de las propiedades según la concentración de elementos intersticiales
Las aleaciones alfa y casi alfa contienen principalmente elementos estabilizadores de la fase alfa, por lo que un alto porcentaje de la fase alfa está presente en condiciones de temperatura ambiente. Las aleaciones alfa principales están basadas en adiciones de aluminio y estaño. Tienen una estructura monofase, son soldables y tienen una buena ductilidad. Se utilizan en aplicaciones criogénicas y en aplicaciones a alta temperatura. Dos aleaciones alfa importantes son Ti-Pd y Ti-5Al-2.5Sn. Las aleaciones de titanio y paladio, las cuales son grado 7 y grado 11, están formadas por titanio puro comercial con aproximadamente un 0,15% de paladio. Este paladio se añade para aumentar la resistencia a la corrosión. El grado 11 tiene una concentración menor de elementos intersticiales y una mejor ductilidad y capacidad de darle forma que el de grado 7. Las aleaciones de titanio-paladio se utilizan en la industria química para aplicaciones en las cuales los grados 2 y 3, comúnmente usados, no tienen suficiente resistencia a la corrosión, como por ejemplo cuando el medio es levemente reductor (ácido clorhídrico o sulfúrico diluidos) La aleación Ti-5Al-2.5Sn, la cual es grado 6, es una aleación alfa que está disponible en un grado estándar y un grado con menor concentración intersticial. el grado estándar se utiliza para turbinas de gas operando sobre 480ºC, partes estructurales en puntos calientes, y equipamiento de procesado de sustancias químicas que debe trabajar a alta temperatura. El grado de menor concentración intersticial, con la denominación de ELI, se utiliza en recipientes a presión para gases licuados y en hardware de servicio
a temperaturas criogénicas. La microestructura del grado 6 consiste completamente en fase alfa.
Aleaciones alfa-beta Las aleaciones alfa-beta contienen porcentajes de elementos estabilizadores de la fase beta que son lo suficientemente elevados para conseguir que a temperatura ambiente exista fase beta. Estas aleaciones pueden endurecerse por solución y por envejecimiento. La aleación de este tipo más común es la Ti-6Al-4V. La Ti-6Al-4V es una aleación grado 5 y es la aleación de titanio más ampliamente empleada. Por lo menos se producen una docena de variedades de grado 5, entre las que se incluyen grados ELI que tienen menor resistencia y mayor ductilidad que los grados estándar. El grado 5 se utiliza tanto en condiciones de recocido y envejecimiento para discos y hojas de turbinas de gas, componentes estructurales de la estructura del avión, aplicaciones que requieren elevada resistencia a 315ºC, implantes prostéticos, y equipamiento de la industria química.
Aleaciones beta Las aleaciones beta del titanio contienen elementos estabilizadores de la fase beta. Las aleaciones beta pueden ser tratadas térmicamente mediante endurecimiento por precipitación para lograr niveles de resistencia extremadamente altos. La ventaja principal de las aleaciones beta frente las alfa es su capacidad de endurecimiento. Las aleaciones beta tienen una capacidad de formación excelente en condiciones de monofase. Cuando reciben tratamiento térmico, estas aleaciones exhiben una relacion resistencia-peso elevada, pero sin embargo una baja ductilidad y elevada fragilidad. Las aleaciones beta están limitadas a aplicaciones que requieran resistencia moderada por encima de 315ºC debido a que reducen su resistencia a elevadas temperaturas. Tienen una elevada característica de endurecimiento mecánico, y por esta razón se utilizan para cierres y muelles. Dos ejemplos de este tipo de aleaciones son la Ti-13V11Cr-3Al y la Ti-4.5Sn-6Zr-11.5Mo. La Ti-13V-11Cr-3Al se forma en condiciones de recocido suaves y se endurece mediante precipitación. Un tratamiento térmico típico consiste en templar a 845870ºC, utilizar un enfriamiento por quench de agua o por aerorrefrigerador, seguido por envejecimiento durante un día a 510ºC. Esta aleación se utiliza principalmente para marcos de ventana en aviones y aplicaciones auxiliares. La Ti-4.5Sn-6Zr-11.5Mo, la cual es grado 10, se forma fácilmente en condición de templado antes de endurecimiento por precipitación. Un tratamiento térmico típico
consiste en templar a 730-760ºC, refrigerar mediante aerorefrigeradores o un quench con agua de refrigeranción, y endurecimiento por envejecimiento durante 8 horas a 480ºC. El grado 10 se usa principalmente para cierres y muelles en la industria aeronáutica.
Incremento de la resistencia La microestructura, sea alfa, alfa-beta o beta, tiene influencia en el trabajo mecánica o tratamiento térmico que se utilizará para endurecer aleaciones de titanio. Los dos principales métodos de endurecimiento son el endurecimiento por solución sólida y el endurecimiento por precipitación.
Endurecimiento por solución sólida Se produce en las aleaciones alfa y puede ser de tipo intersticial o de sustitución. El tipo intersticial se utiliza en aleaciones de titanio puro comercial agregándoles hidrógeno,
oxígeno,
nitrógeno
o
carbón.
Estos
elementos
se
disuelven
intersticialmente en la red cristalina y tienen un efecto significativo en la resistencia. Aumentar la concentración de estos elementos disminuye la tenacidad y ductilidad hasta el punto en el que el material se vuelve frágil. Por ello, las cantidades de estos elementos deben estar estrictamente controladas. El tipo sustitucional se utiliza en aleaciones alfa cuando elementos como aluminio o zinc, los cuales ejercen efectos de resistencia importantes, se añaden. Por ejemplo, cada porcentaje de adición de aluminio incrementa la resistencia a la tracción en 8000 psi y en el caso de porcentaje de adición de cinc en 4000 psi.
Endurecimiento por precipitación Se utiliza para incrementar la resistencia de las aleaciones alfa-beta y beta. Estas dos aleaciones se templan en solución a una temperatura propia para encontrarse en la fase que existe alfa y beta. Después se enfrían mediante un quench y se precipitan a una menor temperatura, incrementando su resistencia. Este tipo de endurecimiento incrementa la resistencia de las aleaciones alfa-beta desde un 30% a un 50% por encima de la que ya tenía el material recocido. El recocido en solución se realiza a una temperatura alta dentro del rango de las dos fases, alfa y beta. Si la temperatura estuviera en el rango de la fase beta, ocurriría un crecimiento de grano excesivo, por lo que la progresiva formación de la fase alfa ocurriría en los bordes de grano de la fase beta. Estos dos factores disminuyen la ductilidad. El quench se realiza utilizando agua, aceite o cualquier otro recurso que se adecue a la operación. La fase beta presente en la temperatura del tratado en solución es o
retenida durante el quench, o transformada parcialmente por una reacción de tipo martensítico o mediante nucleación y crecimiento. El modo exacto depende de los elementos a alear que se esté utilizando. La aleación se deja envejecer posteriormente entre 480ºC y 650ºC para provocar la precipitación de la fase alfa y producir una mezcla fina de alfa o beta en la fase beta retenida o transformada. La fase beta presente en la temperatura a la que se produce el recocido en solución será completamente retenida durante el enfriamiento aunque puede que una porción llegue a transformarse en fase alfa. Esta posibilidad depende de la composición de la aleación, la temperatura del recocido en disolución, el grado de enfriamiento y el tamaño de la sección. Durante el endurecimiento por precipitación, partículas finas alfa precipitan en la fase beta retenida o transformada. Esta estructura doble es más dura y fuerte que la estructura obtenida del simple recocido.
Recocido El recocido incrementa la ductilidad, estabilidad térmica, estabilidad dimensional, tenacidad y resistencia a la tracción de las aleaciones de titanio. El componente se mantiene a la temperatura de recocido hasta que esté uniformemente calentado y se consigue la transformación deseada. Luego, se refrigera hasta la temperatura ambiente.
Alivio de tensión Se utiliza en ocasiones para eliminar tensiones residuales en una soldadura. Puede ser beneficial para mantener las dimensiones, reducir la tendencia a la fractura y evitando rotura por presión-corrosión en algunas aleaciones. El alivio de tensión puede alterar las propiedades mecánicas en la zona soldada mediante un tratamiento térmico. Esto resulta en una reducción de la ductilidad.
Fabricación con titanio El titanio y sus aleaciones, en comparación con las del cobre, aceros al carbono y aceros inoxidables, tienen unas característica que resultan en que es relativamente difícil trabajarlos, darles forma y unirlos. Se requiere por esto un control de calidad rígido cuando se efectúa uno de estos procesos
Conformado Los procesos de conformado para las aleaciones de titanio se ven obstaculizados por una serie de factores. La sensibilidad a las muescas puede ocasionar rotura y desgarrado, especialmente en las operaciones de conformado en frío. El agarrotamiento es más severo en las aleaciones de titanio que en el acero inoxidable y
sobretodo es severo en operaciones de conformado en caliente. Sus pobres propiedades contra el desgaste presentan una desventaja en ocasiones en algunas operaciones de doblado y corte. Se puede llegar a fragilizar por culpa de la absorción de hidrógeno y otros gases durante el calentamiento. La limitada capacidad de trabajarlo y su limitado springback (recuperación elástica) restringen las operaciones de conformado en frío. El springback es una imprecisión en forma y dimensiones que incrementa la resistencia a deformaciones plásticas. Los principales métodos de conformado son conformado en caliente, y pre conformado en frío con dimensionado en caliente.
Conformado en caliente Es un proceso de conformado que incrementa la conformabilidad y reduce el springback. Se utiliza en la producción de la gran mayoría de los componentes de titanio. Se utilizan lubricantes como nitruro de boro para reducir el desgaste.
El
conformado en caliente se realiza normalmente a temperaturas entre 540ºC y 815ºC. El incremento de la fragilidad por culpa de superficies rícas en oxígeno ocurre sobre los 540ºC. Para limitar esto, el tiempo máximo permitida para calentamiento en aire es una hora a 705ºC y 20 minutos a 870ºC.
Preconformado en frío y dimensionado en caliente Se utilizan conjuntamente para corregir el springback. El preconformado en frío es el proceso en el cual componentes preconformados en frío son fijados en moldes de formas y dimensiones del componente final. El dimensionado en caliente es el proceso en el cual estas fijaciones se calientan por un tiempo suficientemente grande para conseguir que obtengan la forma correcta.
Mecanizado El mecanizado es un proceso de fabricación que comprende un conjunto de operaciones para conformar las piezas mediante eliminación de material. Para un mecanizado exitoso, las aleaciones de titanio requieren un control de calidad rígido.
Unión Las aleaciones de titanio pueden unirse mediante soldaduras, uniones adhesivas, fijación mecánica y uniones metalúrgicas. Las aleaciones de titanio se sueldan mediante una soldadura con arco bajo gas protector, soldadura con rayo de electrones, soldadura con rayo laser y soldadura de resistencia. Antes de la soldadura es necesario realizar una preparación rigurosa de la superficie. En todos los tipos de soldaduras debe controlarse cuidadosamente la contaminación por impurezas intersticiales, como oxígene y nitrógeno, para así mantenter una ductilidad útil en la soldadura. Aceite, huellas dactilares, grasa, pintura y otras sustancias deben ser eliminadas utilizando un disolvente apropiado. No se debe usar agua del grifo para lavar
componentes de titanio. El cloruro puede dejar residuos que causan rotura por corosión a temperaturas sobre 285ºC. Los residuos de hidrocarburos pueden fragilizar el titanio. Solamente se deberían utilizar cepillos de alambre de acero inoxidable. La soldadura debe efectuarse bajo un gas inerte protector, como argon, para evitar añadir elementos intersticiales como el oxígeno.
Propiedades del titanio Las dos propiedades más destacables del titanio son su baja densidad y su alta resistencia a la corrosión. Estas propiedades permiten al titanio tener aplicaciones únicas en la industria aeronáutica y química.
Densidad La combinación de alta resistencia y buena tenacidad además de baja densidad (aproximadamente 4,5 g/cm 3) provoca unas relaciones resistencia/peso altas.
Figura 8: Resistencias específicas
Esta elevada relación resistencia-peso se utiliza en aplicaciones aeronáuticas que operan desde baja a moderada temperatura.
Resistencia a la corrosión Las aleaciones de titanio tienen una resistencia a la corrosión sobresaliente en la mayoría de químicos y aguas. Los grados 1,2,3 y 4 son utilizados para la industria química y aplicaciones navales por esto mismo. La adición de un 0,15% de paladio en el grado 7 y grado 11 incrementa la resistencia a la corrosión. Las aleaciones de titanio son completamente resistentes a aguas (agua natural, agua de alta pureza, fluidos corporales, vapor, agua del mar) hasta temperaturas de 315ºC. Sin embargo, en caso de que la concentración de cloruros es superior a las 1000 ppm, el titanio es susceptible de corroerse a temperaturas por encima de los 75ºC. El titanio es resistente a la mayoría de disoluciones salinas, exceptuando a fluoruros ácidos. Generalmente es muy resistente a bases. Concentraciones elevadas de hidróxido de sodio y potasio pueden causar corrosión a temperaturas de ebullición. En disoluciones altamente alcalinas, con un pH sobre 12, se produce un incremento de la fragilidad debido a la formación de hidruros. El titanio es altamente resistente a ácidos oxidantes en un amplio abanico de concentraciones y temperatura. Entre estos ácidos están incluidos el nítrico, crómico, perclórico y el hipocloroso. La resistencia a ácidos reductores, como sulfúrico, clorhídrico, bromhídrico , fosfórico y sulfámico es limitada. La resistencia mejora con la presencia de especies oxidantes, como iones de cobre o hierro. Disoluciones de ácido fluorhídrico ataca al titanio en cualquier concentración. Los componentes orgánicos como los alcoholes, cetonas, éteres, aldehídos e hidrocarburos no presentan ningún problema para las aleaciones de titanio. El titanio tiene una resistencia excelente al oxígeno gaseoso hasta 430ºC. Sobre esta temperatura, comienza a oxidarse y fragilizarse la superficie. El titanio puede presentar comportamiento pirofórico. Esto es la ignición espontánea al ser raspado o golpeado. El titanio es extremadamente reactivo si la pequeña película de óxido de su superficie es eliminada por alguna razón. Cuando la fuente de energía que acompaña a la eliminación de la película es elevada, el titanio puede arder en gases como oxígeno o cloro.
Figura 9: Comportamiento pirofórico del titanio
La fragilidad por hidruros es la pérdida de ductilidad causada por la corrosión. El hidruro de titanio es un compuesto intermetálico que tiene una forma escamada. Se produce a partir de la reacción con hidrógeno. La fragilidad por hidruros se produce cuando el hidrógeno se libera durante la corrosión. Una cantidad tan pequeña como 100 o 200 ppm de hidrógeno pueden llegar a fragilizarlo seriamente.
Bibliografía - es.Wikipedia.org - Moniz, B.J. 1994. Metallurgy, Second edition. Estados Unidos de América: ATP
(American Technical Publishers ) - http://es.scribd.com/doc/187641417/Capitulo-v-Metalurgia-Extractiva-de-LosHaluros-y-Titanio-Noviembre-2013. Documento en línea. Visto por última vez 13/04/14
