Titanio 101: Propiedades, Producción y Familias de Aleaciones

El titanio ocupa una posición inusual entre los metales estructurales: es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, sin embargo, el material terminado cuesta más que casi cualquier otro metal de ingeniería. Esta nota explica de dónde proviene, por qué cuesta lo que cuesta, cuáles son realmente las tres familias de aleaciones, y cómo el número en un plano se corresponde con el material que llega al taller.

1. Qué es el titanio

El titanio (Ti, número atómico 22) se encuentra en el grupo 4 de la tabla periódica, junto al circonio y el hafnio. Su peso atómico es 47,867. El metal es de color gris plateado, notablemente más ligero que el acero, con una densidad alrededor de 4,51 g/cm³ — alrededor del 57 % de acero y aproximadamente 1,6 veces aluminio — y se caracteriza sobre todo por una película pasiva de óxido extremadamente tenaz.

Esa película de óxido (TiO₂) se forma espontáneamente en el aire, es químicamente estable y se vuelve a formar instantáneamente cuando se daña. Es la razón por la cual el titanio resiste tan bien el agua de mar, los cloruros y los ácidos oxidantes. También es la razón por la cual el metal es biológicamente inerte: la película, no el metal, es lo que realmente encuentra el tejido del cuerpo.

Constantes físicas

Pureza comercial

Las propiedades mecánicas del titanio dependen en gran medida de su contenido intersticial: carbono, nitrógeno, hidrógeno y especialmente oxígeno. El material más puro disponible comercialmente, el titanio yodado, mantiene las impurezas por debajo del 0,1 %, pero es blando y altamente dúctil. En el otro extremo, el titanio comercialmente puro al 99,5 % (grado industrial) normalmente ofrece:

2. Cómo se produce el titanio y por qué cuesta lo que cuesta

El titanio es abundante. Titanio metal es caro, y los dos hechos no están en conflicto: el costo está en la extracción y la fusión, no en el mineral.

La materia prima es rutilo (TiO₂) o ilmenita (FeTiO₃). El titanio no puede simplemente ser reducido con carbono como el hierro, porque a alta temperatura el titanio reacciona con el carbono y con el nitrógeno y el oxígeno del aire. La ruta industrial es la Proceso Kroll, desarrollado en la década de 1940:

1. Cloración. El rutilo reacciona con cloro y carbono a alta temperatura para producir tetracloruro de titanio (TiCl)₄), un líquido volátil que puede destilarse para separarlo de los otros cloruros metálicos presentes.
2. Reducción. TiCl₄ se reduce con magnesio bajo una atmósfera inerte para producir metal de titanio y cloruro de magnesio.
3. Destilación al vacío. El cloruro de magnesio y el magnesio residual se eliminan mediante destilación al vacío, dejando una esponja de titanio.
4. Derritiéndose. La esponja se compacta en un electrodo y se funde — normalmente mediante fusión por arco en vacío (VAR), a veces mediante fusión por haz de electrones o arco de plasma — para obtener un lingote.

La producción industrial de titanio comenzó en 1948. Dos consecuencias de esta ruta explican el precio:

• Es un proceso por lotes con múltiples pasos a alta temperatura bajo control atmosférico. Cada etapa consume energía: la ruta de Kroll es un orden de magnitud más intensiva en energía por tonelada que la fabricación de acero.
• La contaminación es el enemigo. La absorción de oxígeno y nitrógeno en cualquier etapa aumenta la dureza y destruye la ductilidad, por lo que la fusión debe realizarse en vacío o en una atmósfera inerte, y a menudo se repite la refundición para homogeneizar el lingote. Los residuos postconsumo generalmente solo pueden reciclarse en productos de menor calidad, o volverse a fundir con una clasificación cuidadosa.

El resultado es que el costo del titanio es un costo de proceso, no un costo por escasez. También es la razón por la cual el valor del chatarra de titanio es comparativamente alto, y por la cual la industria trata los virutas y recortes como un activo recuperable en lugar de desperdicio.

3. La transformación alotrópica: el único hecho que explica el titanio

Debajo 882 °C el titanio tiene una estructura cristalina hexagonal compacta, llamada alfa (α). Por encima de 882 °C tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, llamada beta (β). La transición es reversible.

Todo sobre las aleaciones de titanio se deriva de esto. Los elementos de aleación se clasifican según lo que hacen con la temperatura de transformación, y las fases presentes a temperatura ambiente determinan la familia de la aleación:

Intersticiales: las impurezas que importan

El oxígeno y el nitrógeno son la razón por la que la soldadura de titanio necesita gas protector y por la que una pieza de titanio dejada en un horno caliente sin control de atmósfera se arruina en lugar de simplemente decolorarse. El hidrógeno es la razón por la que los fluidos de corte y los baños de decapado que contienen hidrógeno se tratan como peligros del proceso — ver el nota de mecanizado.

4. Las tres familias de aleaciones

A temperatura ambiente, una aleación de titanio tiene una de tres estructuras de matriz. Los sistemas de designación nacional difieren: Estados Unidos utiliza números de grado, China utiliza TA/TC/TB, Rusia utiliza BT y Gran Bretaña IMI, pero las familias son las mismas en todas partes.

Aleaciones alfa (α) — serie TA, grados comercialmente puros

Solución sólida alfa monofásica. No endurecible por tratamiento térmico: el fortalecimiento proviene únicamente de la solución sólida y del contenido intersticial.

• Fortalezas: estructuralmente estable a la temperatura; mejor resistencia al desgaste que el titanio puro; fuerte resistencia a la oxidación; mantiene la resistencia y la resistencia a la fluencia hasta 500–600 °C; excelente soldabilidad; excelente tenacidad criogénica.
• Debilidades: no se puede fortalecer mediante tratamiento térmico, por lo que la resistencia a temperatura ambiente es modesta; la maquinabilidad es la mejor de las tres familias.
• Usado para: planta química y de procesos, tubo de intercambiador de calor, conjuntos soldados, vasos criogénicos y — cuando la familia alfa incluye aleaciones casi alfa — componentes de compresores de alta temperatura.

Aleaciones alfa-beta (α β) — serie TC

Mezcla bifásica de alfa y beta. Se puede tratar térmicamente mediante tratamiento de solución y envejecimiento, lo que proporciona un aumento sustancial de la resistencia respecto a la condición recocida, comúnmente citado en un 50–100 % de mejora después del tratamiento térmico.

• Fortalezas: el mejor equilibrio general de los tres; estructura estable; buena tenacidad, ductilidad y formabilidad en caliente; buen trabajo en caliente; mantiene la resistencia a 400–500 °C a largo plazo.
• Debilidades: la estabilidad térmica es menor que la de la familia alfa, por lo que el servicio prolongado a alta temperatura es un compromiso; la maquinabilidad es intermedia.
• Usado para: la mayor parte del titanio estructural — discos y palas de compresor, estructura del fuselaje, sujetadores, implantes médicos y piezas de ingeniería general.
• El buque insignia: Ti-6Al-4V, desarrollado en 1954, representa la mayoría de todas las aleaciones de titanio utilizadas. La mayoría de las demás aleaciones de titanio pueden considerarse como una modificación de ésta.

Aleaciones beta (β) — serie TB

Solución sólida beta monofásica. Alta resistencia incluso sin tratamiento térmico, y se fortalece aún más mediante temple y envejecimiento; la resistencia a temperatura ambiente puede alcanzar 1372–1666 MPa en los grados más fuertes.

• Fortalezas: la mayor resistencia alcanzable de los tres, con excelente conformabilidad en frío y en caliente: varias aleaciones beta se trabajan en frío mejor que el titanio comercialmente puro; forjable y soldable; mejor tenacidad a alta resistencia que las aleaciones alfa-beta.
• Debilidades: peor estabilidad térmica, por lo que no es adecuado para servicios a alta temperatura sostenida; la familia más difícil de mecanizar.
• Usado para: Sujetadores y resortes de alta resistencia, piezas conformadas en frío, estructura del fuselaje y — en el campo médico — aplicaciones de implantes donde se desea un bajo módulo.

Otros grados que vale la pena conocer

• Aleaciones casi alfa. Aleaciones alfa con una pequeña adición de beta (típicamente 1–2 %) para mejorar la resistencia a la fluencia a alta temperatura: el pilar de las aplicaciones de compresores a 500 °C y más.
• Aluminuros de titanio. Compuestos intermetálicos en lugar de aleaciones: Ti₃Al (α₂) con una temperatura de servicio alrededor de 816 °C, y TiAl (γ) alrededor de 982 °C. La densidad es aproximadamente la mitad que la de las superaleaciones a base de níquel, con fuerte resistencia a la oxidación y a la fluencia, razón por la cual son candidatos para aeroestructuras de alta temperatura.
• Aleaciones de níquel-titanio. El Nitinol y las composiciones relacionadas exhiben memoria de forma y superelasticidad. Se utilizan para stents vasculares, filtros de trombos, varillas de corrección espinal, alambres de arco ortodónticos, placas óseas, clavos intramedulares y componentes de válvulas cardíacas.

5. Leer el anuncio de la calificación

El número en un dibujo contiene tres piezas de información, y vale la pena separarlas porque están especificadas por diferentes documentos.

1. La designación — un nombre en un sistema nacional o industrial. GR5, TC4, Ti-6Al-4V, BT6 e IMI 318 describen todos la misma aleación alfa-beta.
2. La especificación gobernante — el estándar que el material debe cumplir realmente. Esto es lo que establece los límites de química, los mínimos de propiedades mecánicas y los métodos de prueba permitidos. Una designación sin una especificación no es una orden de compra.
3. La condición — recocido, aliviado de tensiones, tratado en solución y envejecido, recocido de laminación. El mismo aleación en dos condiciones puede tener propiedades marcadamente diferentes, por lo que la indicación de tratamiento térmico es una decisión de material, no un detalle de producción.

Intersticial extra-bajo (ELI)

Anexando ELI a una designación denota límites más estrictos en oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, y menor hierro. El resultado es menor resistencia con una tenacidad y ductilidad significativamente mejores y mejor soldabilidad. El grado 5 se convierte en grado 23; TC4 se convierte en TC4 ELI. Las variantes son corrientes separadas de molino con certificados separados, no una banda de tolerancia en el mismo producto.

ELI se especifica donde la tenacidad gobierna (diseño de tolerancia al daño), donde el servicio es criogénico, o donde la pieza es un implante quirúrgico. Es no justificado únicamente por la dificultad o la tolerancia. Ver la comparación entre TC4 y TC4 ELI.

6. Lo que el titanio hace mejor que otros metales

Donde el titanio es la elección incorrecta

• Reducción de ácidos y medios de sales de cromo. La resistencia del titanio es pobre contra estos. El mecanismo que protege al metal en condiciones oxidantes es el mecanismo que falla aquí.
• Corrosión por grietas en servicio con cloruros calientes. El metal base resiste el fluido principal y luego se corroe dentro de un espacio estrecho. Esto se puede diseñar en contra — ver la nota sobre la corrosión por grietas — pero tiene que ser diseñado en su contra.
• Cortes muy ligeros, refrigerante portador de hidrógeno, refrigerante portador de cloruro. Una limitación de proceso más que de material, pero debe ser respetada.
• Conducción eléctrica y térmica. Baja conductividad en ambos aspectos.
• Piezas no estructurales, de alto volumen y sensibles al costo. El aluminio o el zinc cumplirán el trabajo por una fracción del precio.

7. Dónde se utiliza el titanio

• Aeroespacial. La aplicación original y aún la definitoria. Componentes del compresor del motor —aspas del ventilador y del compresor, discos, carcazas, alojamientos de rodamientos, carcasas intermedias— además de la estructura del fuselaje, revestimientos, sujetadores y tren de aterrizaje. Los aviones militares modernos tienen un 20-25 % de titanio por peso estructural; el número aumenta bruscamente con el número de Mach, porque el propósito del titanio allí es reemplazar el acero y ahorrar peso.
• Planta química y de procesos. Intercambiadores de calor, condensadores, tuberías de proceso, bombas y válvulas, particularmente en servicio con agua de mar, salmuera, cloro húmedo y ácidos oxidantes.
• Médico. Implantes, placas y tornillos óseos, reemplazos articulares, instrumentación espinal, implantes dentales, instrumentos quirúrgicos y dispositivos de nitinol, desde stents hasta alambres ortodónticos.
• Desalinización y marina. Manejo de agua de mar, sistemas en alta mar y a bordo de buques.
• Bienes de consumo y de lujo. Monturas de gafas, relojes, bicicletas, equipos deportivos: aplicaciones que comercian con el peso, la resistencia y el acabado en lugar de con la capacidad de temperatura.
• Energía y criogenia. Manejo de GNL, equipos de procesos criogénicos, recipientes a presión y tanques de almacenamiento.

8. El resumen práctico

Tres cosas deciden si una pieza de titanio es económica, y las tres se determinan antes de que se corte una sola viruta:

1. La calificación — lo que fija la familia y, por lo tanto, la mecanizabilidad, la ruta de tratamiento térmico y la resistencia alcanzable.
2. La especificación a la que se hace referencia — que arregla la química, los pisos de la propiedad y la base de prueba.
3. La condición — recocido, aliviado de tensiones, tratado en solución y envejecido — lo cual puede cambiar las propiedades tanto como lo hace el grado.

Acierta con esos tres y el material es predecible. Equivócate con ellos y el material aún se fabricará exactamente según el plano, lo cual es la manera costosa de descubrir que el plano estaba equivocado.