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Aleaciones de Titanio: Grados, Estructura y Dónde Se Usa Cada Una
Las aleaciones de titanio se eligen cuando la relación resistencia-peso, la resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas son importantes al mismo tiempo. Esta página cubre las tres familias estructurales, los elementos que las definen y las consecuencias prácticas para el mecanizado y el servicio.
Tres familias, una decisión. Resistencia, ambiente de corrosión y temperatura de servicio. Díganos los tres y la familia de grado se sigue de ellos. Preguntar por un grado
Por qué el titanio se comporta como lo hace
El titanio es alotrópico: por debajo 882 °C es titanio alfa con una red hexagonal compacta; encima de eso es titanio beta con una red cúbica centrada en el cuerpo. Su punto de fusión es aproximadamente 1668 °C. Cada aleación de titanio es un ejercicio de estabilizar una de esas dos fases, o una mezcla de ellas, y la mezcla de fases es lo que determina el comportamiento mecánico.
Los elementos de aleación se dividen en tres grupos según lo que hacen con la temperatura de transformación:
- Estabilizadores alfa — aluminio, oxígeno, nitrógeno, carbono. Aumentan la temperatura de transformación de alfa a beta. El aluminio es el principal: incrementa tanto la resistencia a temperatura ambiente como a alta temperatura, reduce la densidad y eleva el módulo elástico.
- Estabilizadores beta — reducen la temperatura de transformación y se dividen en isomorfo tipos (molibdeno, niobio, vanadio, tantalio) y eutectoide tipos (cromo, manganeso, cobre, hierro, silicio).
- Elementos neutrales — circonio y estaño, que cambian la temperatura muy poco.
El oxígeno, el nitrógeno, el carbono y el hidrógeno son las impurezas significativas más que adiciones deliberadas. El oxígeno y el nitrógeno son solubles en la fase alfa y la fortalecen notablemente, a costa de la ductilidad. El hidrógeno es diferente: su solubilidad en el titanio alfa es baja, y el exceso de hidrógeno forma hidruros que fragilizan la aleación. Debido a que la absorción de hidrógeno es reversible, puede eliminarse mediante recocido al vacío, por lo que el contenido de hidrógeno se controla estrictamente y los procesos que contienen hidrógeno se tratan con cuidado durante el mecanizado.
Las tres familias estructurales
Las aleaciones de titanio se clasifican según la fase (o fases) a temperatura ambiente que constituyen la matriz. China designa las tres familias TA (alfa), TC (alfa-beta) y TB (beta).
| Familia | Estructura | Fortalezas | Límites | Rol típico |
|---|---|---|---|---|
| Alfa (TA) | Solución sólida alfa monofásica | La estructura es estable a la temperatura; mejor resistencia al desgaste que el titanio puro; fuerte resistencia a la oxidación; mantiene la resistencia y la resistencia al fluencia hasta 500–600 °C | No se puede reforzar mediante tratamiento térmico; la resistencia a temperatura ambiente es modesta | Montajes soldados, planta química y de procesos, servicio criogénico |
| Alfa-beta (TC) | Mezcla bifásica | Buen equilibrio general; estructura estable; buena tenacidad, ductilidad y conformabilidad en caliente; endurecible mediante tratamiento de solución y envejecimiento, lo que puede aumentar considerablemente la resistencia respecto a la condición recocida | La estabilidad térmica es menor que la de la familia alfa | La familia de caballos de batalla: piezas de compresor, componentes estructurales, implantes médicos |
| Beta (TB) | Solución sólida beta monofásica | Alta resistencia incluso antes del tratamiento térmico, y aún más fortalecida mediante temple y envejecimiento; excelente conformabilidad en frío y caliente; forjable y soldable | Menor estabilidad térmica; no apto para servicios a alta temperatura prolongada | Sujetadores y resortes de alta resistencia, piezas conformadas en frío, estructura del fuselaje |
La maquinabilidad sigue el orden opuesto al atractivo de la aleación: las aleaciones alfa se cortan más fácilmente, las aleaciones alfa-beta son intermedias, y las aleaciones beta son las más difíciles de las tres. Esto vale la pena saberlo en la etapa de cotización, porque la calidad indicada en su plano tiene tanto efecto en el costo como lo hace la geometría.
Tratamiento térmico y lo que hace a la estructura
Los tratamientos comunes son el recocido, el tratamiento en solución y el envejecimiento.
- Recocido de alivio de tensiones elimina o reduce el esfuerzo residual acumulado durante el formado y el mecanizado, lo que limita la distorsión y reduce el riesgo de ataque químico en algunos entornos.
- Recocido completo está dirigido a la dureza, la mejorabilidad mecanizada y la estabilidad dimensional y estructural para el procesamiento posterior. Las aleaciones alfa y alfa-beta normalmente se recocen por debajo de la temperatura de transformación de alfa a beta.
- Tratamiento de solución y envejecimiento es la ruta de fortalecimiento. La aleación se enfría rápidamente desde la región de alta temperatura para producir alfa prima martensítica y fases beta metaestables, luego se mantiene en el rango de temperatura intermedia para que esas fases metaestables se descompongan en partículas compuestas o alfa finamente dispersas. Las aleaciones alfa y las aleaciones beta estables no pueden fortalecerse de esta manera y solo se recocen en producción; las aleaciones alfa-beta y las aleaciones beta metaestables que contienen algo de alfa sí pueden.
La microestructura depende del tratamiento. Las estructuras finas equiaxiales generalmente proporcionan la mejor ductilidad, estabilidad térmica y resistencia a la fatiga; las estructuras aciculares (en forma de aguja) proporcionan mayor resistencia a la ruptura por esfuerzo, resistencia a la fluencia y tenacidad a la fractura; una estructura mixta equiaxial y acicular es el compromiso usual cuando no se puede priorizar una sola propiedad.
Lo que esto significa en un dibujo
Tres cosas deciden si una pieza de titanio se puede fabricar económicamente, y las tres ya están en el dibujo antes de que alguien la cotice:
- La calificación. Fija la familia y, por lo tanto, la maquinabilidad, la vía de tratamiento térmico y la resistencia alcanzable.
- A la especificación a la que se hace referencia. La norma vigente ASTM, ASME, GB o EN establece los límites de química, los valores mínimos de propiedades mecánicas y los métodos de prueba permitidos.
- El llamado intersticial. Si el dibujo solicita química estándar o ELI (intersticial extra baja), cambia la tenacidad y el comportamiento a baja temperatura, y cambia lo que se debe pedir al molino.
Equivalencia de grado. La misma aleación aparece bajo diferentes designaciones en distintos sistemas: Ti-6Al-4V, TC4, GR5, BT6 e IMI 318 describen todos la misma aleación alfa-beta ampliamente utilizada. Nuestro tabla de equivalencia de grados mapea las designaciones que proporcionamos a lo largo de GB, ASTM, EN y JIS.
Dónde se encuentra el costo
El titanio es caro por una razón estructural más que comercial: la aleación es reactiva a la temperatura, por lo que fundir, refundir y trabajar en caliente deben realizarse bajo condiciones que mantengan el oxígeno y el nitrógeno fuera. Eso exige equipos especializados, pasos de fusión repetidos y un control de proceso riguroso, y es la razón por la que el titanio cuesta mucho más que el aluminio o el acero antes de que se corte un solo chip.
La consecuencia práctica para un comprador es que el grado y la especificación determinan el precio mucho más que la cantidad de piezas. Si un diseño puede aceptar un grado comercialmente puro en lugar de una aleación, o una indicación estándar de intersticial en lugar de ELI, esa decisión vale más que cualquier negociación sobre la tasa de mecanizado.
Comparación Familiar
Cuatro familias, y la pregunta que cada una responde
La tabla de arriba divide las aleaciones de titanio de tres maneras. En un plano, la elección generalmente se reduce a cuatro grupos, porque el material comercialmente puro y las aleaciones casi alfa se comportan de manera suficientemente diferente como para ser tratadas por separado. Estos son los ejes que deciden cuál terminas especificando.
| Familia | Estructura a temperatura ambiente | Fortalecido mediante tratamiento térmico | Resistencia — a temperatura ambiente y a 500–600 °C | Soldadura y conformado en frío | Costo relativo del material |
|---|---|---|---|---|---|
| Comercialmente puroTA1–TA4 · 4 calificaciones | Casi completamente alfa | No — la fuerza proviene del oxígeno, el nitrógeno, el hierro y el hidrógeno, no del tratamiento térmico | El más bajo de los cuatro a temperatura ambiente; la temperatura de servicio se mantiene baja | Excelente soldabilidad; excelente conformabilidad en caliente y en frío | Más bajo |
| Alfa y casi alfaTA5–TA28 · 21 grados | Predominantemente alfa; los grados cercanos al alfa contienen una pequeña fracción estable de beta | No — solo recocido; el fortalecimiento proviene de la solución sólida y los intersticiales controlados | Por encima de los grados puros, por debajo de alfa-beta y beta; el más alto de los cuatro a 500–600 °C, con buena resistencia a la fluencia | Excelente soldabilidad, metal de soldadura cercano al del material base; pobre conformado en frío, bueno en caliente | Moderado |
| Alfa-betaTC1–TC26 · 26 grados | Alfa y beta en dos fases, aproximadamente equilibradas en los grados estándar | Sí: el tratamiento de solución y el envejecimiento cubren un amplio rango; TC1 y TC2 solo están recocidos | Alto y ajustable en un grado; bueno hasta aproximadamente 400 °C, disminuyendo por encima de ello | Buena soldabilidad, algunos grados necesitan un procedimiento controlado; conformado en frío limitado | Moderado |
| Beta y beta metastableTB2–TB11 · 11 grados | La beta se mantiene a temperatura ambiente; los grados metastables están sobresaturados y endurecen con la edad | Sí — templado y envejecimiento, la respuesta más fuerte de los cuatro | Más alto, y endurecimiento profundo para que las secciones gruesas salgan uniformes; el peor por encima de 400 °C | Buena soldabilidad; la familia se elige para conformado en frío | Más alto — mayor contenido de aleación, fundido más exigente |
Misma familia, diferente grado
La familia es el primer corte, no el último. Tres diferencias dentro de estos grupos cambian lo que se puede citar:
- La serie comercialmente pura es una escalera de resistencia, no una escalera de calidad. De TA1 a TA4 el contenido intersticial — oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, hierro — aumenta. La resistencia y la dureza aumentan con ello; la ductilidad, la tenacidad, la resistencia a la corrosión y la formabilidad disminuyen. Qué extremo de la escala es adecuado lo determina la carga y el entorno, no solo el precio.
- Una segunda escalera corre junto a ella. Un llamado intersticial extra bajo proporciona resistencia y rendimiento a bajas temperaturas a costa de cierta fuerza, y cambia lo que se debe solicitar en la laminadora.
- Alfa-beta no significa automáticamente que sea tratable térmicamente. La mayor parte de la familia responde al tratamiento de solución y envejecimiento, pero algunos grados se suministran únicamente recocidos. Confirme el grado antes de escribir una nota de tratamiento térmico en el dibujo.
- Una designación puede estar fuera de su letra. TC26 tiene una designación TC pero se comporta como un grado beta metastable, por lo que se incluye con ese grupo en lugar de con la familia alfa-beta.
Ti-6Al-4V (TC4) es el punto de referencia para toda la familia: comúnmente se cita que representa aproximadamente la mitad de toda la producción de aleaciones de titanio, y los otros grados se posicionan en relación con él. La correspondencia completa designación por designación se encuentra en el página de material de titanio.
Preguntas frecuentes
Preguntas frecuentes
¿Qué grado de titanio debería especificar?
Depende de las tres exigencias que su pieza debe cumplir a la vez: resistencia, entorno de corrosión y temperatura de servicio. Las aleaciones comercialmente puras son la opción económica cuando la resistencia a la corrosión importa más que la resistencia; las aleaciones alfa-beta como Ti-6Al-4V cubren la mayor gama de trabajos estructurales; las aleaciones beta son para alta resistencia con buena conformabilidad. Díganos las condiciones de servicio y le diremos qué familia de aleación encaja — y cuánto cuesta.
¿Cuál es la diferencia entre una aleación alfa, una alfa-beta y una beta?
Es la fase o fases presentes a temperatura ambiente. Las aleaciones alfa son monofásicas, estables y soldables pero no tratables térmicamente. Las aleaciones alfa-beta son bifásicas, tratables térmicamente y ofrecen el mejor equilibrio general. Las aleaciones beta son beta monofásicas, capaces de alcanzar las mayores resistencias y de ser conformadas en frío. La maquinabilidad empeora en ese mismo orden.
¿Qué significa ELI?
Intersticial extra bajo. Denota una variante con límites más estrictos de oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y hierro, lo que proporciona tenacidad y rendimiento a bajas temperaturas a cierto costo en resistencia. Se especifica donde la tenacidad a la fractura o el servicio criogénico son determinantes — véase la comparación TC4 y TC4 ELI.
¿Puedes suministrar material sin mecanizarlo?
Sí. El producto de laminación se suministra rutinariamente como material certificado sin alcance de mecanizado. El mecanizado se cotiza por separado y solo cuando lo solicite.
Preguntar sobre aleaciones de titanio
Envíe el dibujo con la calificación y la especificación vigente. Confirmaremos el formato del material, la ruta del proceso, el plan de inspección y una fecha por escrito junto con la cotización.