EL TITANIO Y SUS ALEACIONES Titanio Ti elemento

EL TITANIO Y SUS ALEACIONES

• Titanio (Ti), elemento químico de número atómico 22 situado en el grupo 4 de la tabla periódica. • Cuarto material metálico más abundante en la corteza terrestre. • Encontrada en forma de óxido (escoria, cenizas). • Obtención costosa (uso limitado).

• Ti, elevada facilidad para formar soluciones sólidas por inserción con otros elementos. • Metal de color gris oscuro, gran dureza, resistente a la corrosión y propiedades físicas parecidas a las del acero. • Estructura hexagonal compacta, duro, refractario, buen conductor de la electricidad y el calor. • Metal ligero que presenta polimorfismo.

Elementos estabilizadores Al, Ga, O, C Tipo de aleación Α α- Zr, Sn, Si Elementos β- estabilizadores Β-isomorfos Β-eutectoides Mo, W, V, Ta, Nb Cu, Mn, Cr, Fe, Co, Ni, H α+β Casi α Casi β Elementos neutros Mejor: Densidad Respuesta al tratamiento térmico Resistencia a la tracción Conformabilidad Β Mejor: Comportamiento a la fluencia Resistencia a la corrosión Soldabilidad

Ti con un metal α – estabilizante Ti con un metal neutro Ti con un metal β – estabilizante eutéctico

PROPIEDADES FÍSICAS Densidad Punto de fusión Módulo elástico Coeficiente de Poisson Resistencia mecánica Límite elástico Elongación Coeficiente de expansión térmica 4510 fg/m 3 1668ºC 100 -120 GPa 0. 33 234 MPa 138 Mpa 54% 8 -10 x 10 -6 K-1

• Dependen de su pureza. • Ti puro, muy dúctil y resistencia a la tracción es relativamente baja. • Definidos varios grados de titanio comercialmente puro en función del contenido de oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y carbono.

• Elementos de aleación del Ti producen: En solución sólida, aumento de su resistencia. Mejoran la posibilidad de realizar tratamientos térmicos. Empeoran la resistencia a la corrosión. • Pueden formar solución sólida con grandes cantidades de soluto (aleantes tipo A. • Pueden formar compuestos de solubilidad muy limitada (aleantes tipo B).

• Transformaciones de fase de las aleaciones de Titanio La existencia de la transformación α→β en el enfriamiento hace posible la obtención de distintas estructuras. Mediante temple pueden obtenerse estructuras martensíticas, aunque el endurecimiento conseguido es inferior a las del acero.

• Aleaciones de Tipo α. Típica: Ti-5 Al-2, 5 Sn Endurecimiento por solución sólida. Buen comportamiento frente a la fluencia y a la oxidación 300 -600ºC. Soldabilidad aceptable. Pueden ser templadas pero su dureza no mejora apenas.

• Aleaciones de Tipo β. Típica: Ti-13 V-11 Cr-3 Al Endurecimiento mayor permitir mayor cantidad de aleantes. Excesiva cantidad de aleantes puede producir segregación. Muy buena Forjabilidad.

• Aleaciones de Ti α + β. Típica: Ti-6 Al-4 V → en estado de forja, presenta muy buena ductilidad, tenacidad a la fractura y resistencia a la fatiga. Mejor resistencia en frío y fragilidad. Comportamiento superplástico a bajas velocidades de deformación a temperaturas ≈800ºC.

• Titanio puro Aleación Descripción de la aleación Formas disponibles Aplicaciones típicas Titanio de grado 1 Grado de titanio no aleado, el más suave y de menor resistencia, con la más alta ductibilidad, formabilidad en frío y dureza ante impactos, con excelente resistencia a la reducción ligera ante medios de alta oxidación con o sin cloruros y alta soldabilidad. Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Placa, Banda, Tubos soldados, Tubería soldada, Cable* AC, CG, CP, DS, HE, HR, FP, MI, PB, NS Titanio de grado 2 Titanio no aleado de resistencia moderada con excelente soldabilidad, formabilidad en frío y fabricabilidad; grado de titanio de "distribución" y "de uso común" para servicio industrial con excelente resistencia a la reducción ligera ante medios de alta oxidación con o sin cloruros. Aprobado para ser utilizado en servicios ácidos conforme a la norma MR-0175 de NACE. Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Placa, Banda, Tubos soldados, Tubería soldada, Tubos sin costura*, Cable*, Hoja* AC, AD, AP, AR, CG, CP, DS, FP, HE HR, MI, NS, PB, PP, OP, SR Titanio de grado 3 Versión ligeramente más resistente de titanio de grado 2 con Lingote/Tocho, Barra*, una resistencia similar a la corrosión y una correcta Palanquilla, Placa, Banda, soldabilidad y razonable ductibilidad/formabilidad en frío. Tubos soldados, Tubería soldada CP, NS, PP Titanio de grado 4 Versión mucho más resistente y altamente intersticial de Lingote/Tocho, Barra*, titanio de grados 2 y 3 con una razonable soldabilidad y una Palanquilla, Placa, Banda formabilidad en frío y ductibilidad reducidas. AC, AD, CP

• Aleaciones de Ti α Aleación Descripción de la aleación Formas disponibles Aplicaciones típicas CP, DS, GB, HE, HR, OP Ti-0. 3 Mo-0. 8 Ni Aleación de titanio altamente soldable y fabricable que ofrece una mejora Lingote/Tocho, Palanquilla, en la resistencia, tolerancias en el diseño del código de presión y corrosión Tubería soldada, Placa, Banda, [Ti-12] por cavitación con salmuera caliente y que reduce la resistencia a los ácidos Tubos soldados, Tubería sin (Grado 12) en comparación con el titanio de grados 1, 2 y 3. Aprobado para ser costura, Cable* utilizado en servicios ácidos conforme a la norma MR-01 -75 de NACE. Ti-3 Al-2. 5 V [Ti-3 -2. 5] (Grado 9) Aleación de titanio de mediana resistencia que no puede estabilizarse y que Lingote/Tocho, Palanquilla, ofrece la mayor resistencia y tolerancias en el diseño conforme al código de Tubería soldada, Placa, recipientes bajo presión, con una correcta soldabilidad y fabricabilidad en Banda, Tubos soldados, frío respecto de la ligera reducción ante medios de oxidación leve. Hoja*, tubos sin costura*, Cable* AD, CG, NS, SR CP, GB, HE, OP, PD Ti-3 Al-2. 5 V-Pd Versión mejorada con Pd de Ti-3 Al-2. 5 V con propiedades mecánicas y físicas. Lingote/Tocho, Palanquilla, y fabricabilidad equivalentes, que ofrece una resistencia elevada para diluir Tubería soldada, Placa, Banda, [Ti-3 -2. 5 -Pd] la reducción de ácidos y la corrosión por cavitación en medios (salmuera) de. Tubos soldados, Tubería sin (Grado 18) halogenuro caliente. costura Ti-3 Al-2. 5 V-Ru Versión mejorada con Ru de Ti-3 Al-2. 5 V con propiedades mecánicas y físicas. Lingote/Tocho, Palanquilla, CP, GB, HE, OP, PD y fabricabilidad equivalentes, que ofrece una resistencia elevada para diluir Tubería soldada, Placa, Banda, [Ti-3 -2. 5 -Ru] la reducción de ácidos y la corrosión por cavitación en medios (salmuera) de (Grado 28) Tubos soldados, Tubería sin halogenuro caliente. Aprobado para ser utilizado en servicios ácidos costura, Cable* conforme a la norma MR-01 -75 de NACE.

• Aleaciones de Ti α Aleación Ti-5 Al-2. 5 Sn [Ti-5 -2. 5] (Grado 6) Ti-5 Al-2. 5 Sn ELI [Ti-5 -2. 5 ELI] Descripción de la aleación Formas disponibles Aleación soldable de alta resistencia que no puede estabilizarse Lingote/Tocho, Barra*, y que ofrece una correcta resistencia ante deformaciones, Palanquilla, Lámina oxidación, fuerza y estabilidad a altas temperaturas. Versión intersticial extra baja de Ti-5 Al-2. 5 Sn que muestra una excelente combinación de dureza y resistencia a temperaturas criogénicas; adaptada para el uso de recipientes criogénicos a temperaturas tan bajas como -255 °C. Ti-8 Al-1 Mo-1 V Aleación de titanio altamente resistente a las deformaciones, [Ti-8 -1 -1] soldable, de alta resistencia que no puede estabilizarse y que puede utilizarse con una temperatura de hasta 455 °C; lo que muestra la densidad más baja y el módulo más alto de todas las aleaciones comerciales de titanio. Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo- Aleación de titanio soldable de alta resistencia que ofrece una 0. 1 Si excelente fuerza, estabilidad y resistencia a las deformaciones a [Ti-6 -2 -4 -2 -S] temperaturas tan altas como 550 °C. Aplicaciones típicas GT Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla SS Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Lámina GT Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Lámina AF, AU, GT

• Aleaciones de Ti β Aleación Descripción de la aleación Tipos disponibles Ti-10 V-2 Fe- Aleación de titanio tratable con calor, de profunda templabilidad y Lingote/Tocho, Barra*, 3 Al muy alta resistencia que presenta combinaciones de Palanquilla [Ti-10 -2 -3] resistencia/dureza y fatiga superiores, con una excepcional capacidad de forjadura de troqueles en caliente, pero con soldabilidad limitada. Aplicaciones típicas AF, LG Ti-3 Al-8 V-6 Cr Aleación de titanio tratable con calor, de profunda templabilidad en Lingote/Tocho, Barra*, GB, LG, NS, PD, SS -4 Zr-4 Mo tramos y muy alta resistencia que presenta correctas propiedades de Palanquilla, Tubería sin costura, [Ti Beta-C] dureza/resistencia, módulo elástico bajo y una elevada resistencia a la. Cable* (Grado 19) tensión y a la corrosión localizada en salmueras ácidas y dulces de alta temperatura. Aprobado para ser utilizado en servicios ácidos conforme a la norma MR-01 -75 de NACE. Ti-3 Al-8 V-6 Cr Versión contenido de Pd de la aleación de Ti-38644 (Beta-C/Pd) Lingote/Tocho, Barra*, GB, NS, PD -4 Zrque presenta propiedades físicas y mecánicas equivalentes, pero con Palanquilla, Tubería sin costura 4 Mo-0. 05 Pd una significativa mejora en la resistencia a la tensión y a la corrosión [Ti Beta- localizada en salmueras a alta temperatura. C/Pd] (Grado 20)

• Aleaciones de Ti α+β Aleación Ti-6 Al-4 V [Ti-6 -4] (Grado 5) Ti-6 Al-4 V ELI [Ti-6 -4 ELI] Grado 23 Ti-6 Al-4 V-0. 1 Ru [Ti-6 -4 -Ru] Grado 29 Ti-6 Al-7 Nb Descripción de la aleación Tipos disponibles Aleación de titanio más disponible en términos comerciales, Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, altamente resistente y tratable con calor (aleación de Placa, Lámina, Tubería sin costura, "distribución" para aplicaciones aeroespaciales) para utilizar con Cable*, Tubos sin costura*, Hoja* temperaturas de hasta 400 °C que ofrece una excelente combinación de alta resistencia, dureza y ductibilidad junto con una correcta soldabilidad y fabricabilidad. Versión intersticial extra baja de Ti-6 Al-4 V que ofrece una Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, mejora en la ductibilidad y dureza ante fracturas en entornos de Placa, Lámina, Cable*, Tubería sin aire y agua salada, junto con una excelente dureza, resistencia y costura, Hoja* ductibilidad en servicios criogénicos a temperaturas tan bajas como -255 °C. Por lo general, se la utiliza en condiciones sin estabilizar para lograr la máxima dureza. Versión intersticial extra baja contenido Ru de Ti-6 Al-4 V que Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, ofrece una mejora en la dureza ante fracturas en aire, agua de Placa, Lámina, Tubería sin costura, mar y salmueras, junto a la resistencia ante la corrosión Cable* localizada en salmueras dulces, ácidas y agrias con temperaturas tan altas como 330 °C. Aprobado para ser utilizado en servicios ácidos conforme a la norma MR-01 -75 de NACE. Aleación de titanio de alta resistencia con una correcta dureza y Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, ductilidad que se utiliza fundamentalmente para implantes Cable* médicos que derivan de su excelente biocompatibilidad. Aplicaciones típicas AD, AF, AU, BA, CG, GT, HE, LG, NS, PD, SR, SS AF, MI, BA, NS, OP, SS CP, DS, GB, OP, PD MI

• Aleaciones de Ti α+β Aleación 0 Descripción de la aleación Aplicaciones típicas Tipos disponibles Ti-6 Al-6 V-2 Sn [Ti-6 -6 -2] Aleación de titanio de alta resistencia y tratable con calor con una mayor Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Placa, AF resistencia y templabilidad en tramos que Ti-6 Al-4 V, pero con una ductilidad y Lámina dureza menor y una soldabilidad limitada. Puede utilizarse en forma recocida de fábrica o en condiciones de estabilidad (muy alta resistencia). Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-6 Mo Aleación de titanio tratable con calor, con profunda templabilidad y de muy alta Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla GT [Ti-6 -2 -4 -6] resistencia con una mejora en la resistencia a temperaturas tan altas como 450 °C, con limitada soldabilidad. Aprobadopara ser utilizado en servicios ácidos conforme a la norma MR-01 -75 de NACE. Ti-4 Al-4 Mo-2 Sn 0. 5 Si [Ti-550] Aleación de forjadura tratable con calor y de alta resistencia con una correcta Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla fuerza y resistencia a las deformaciones a temperaturas tan altas como 400 °C. GT Ti-6 Al-2 Sn-2 Zr-2 Mo- Aleación de titanio tratable con calor de alta resistencia con propiedades de Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Placa, AF, SS 2 Cr-0. 15 Si dureza a resistencia ante fracturas y resistencia que son superiores a aquellas de Lámina, Cable* [Ti-6 -22 -22] Ti-6 Al-4 V, con excelente formabilidad superplástica y estabilidad térmica. Ti-4. 5 Al-3 V-2 Mo-2 Fe Aleación de titanio tratable con calor y de alta resistencia con una fuerza Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla, Placa, AF, CG, GT, SR, SS [SP-700] superior y una excepcional formabilidad superplástica y caliente en comparación. Lámina con Ti-6 Al-4 V, combinada con una correcta ductilidad y resistencia a la fatiga. Ti-5 Al-4 Cr-4 Mo-2 Sn- Aleación de titanio tratable con calor, de profunda templabilidad en tramos y Lingote/Tocho, Barra*, Palanquilla 2 Zr muy alta resistencia con una fuerza y resistencia a las deformaciones superior a [Ti-17] las de Ti-6 Al-4 V a temperaturas tan altas como 400 °C y limitada soldabilidad. GT

• Fundición La fundición de piezas de titanio se realiza cuando se trata de piezas de diseño complejo que hace difícil el forjado o mecanizado de las mismas.

• Mecanizado El mecanizado de piezas de titanio en máquinas herramientas normales se realiza en condiciones parecidas a las que se utiliza para mecanizar acero o aleaciones de aluminio.

• Moldeo Debido a la afinidad del titanio líquido por el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, así como la reactividad con los crisoles y moldes, se requiere fusión en vacío y crisoles de grafito.

• Pulvimetalúrgia La pulvimetalurgia del titanio se utiliza para la fabricación de piezas complejas de espesores muy pequeños, por ejemplo menores de 1 mm, donde se exijan acabados superficiales muy finos.

• Forja Para la conformación de piezas de titanio por forjado se pueden utilizar las técnicas y herramientas convencionales que se utilizan para el forjado de piezas de acero.

• Soldadura Fricción. Soldadura con rayo de electrones, por rayo láser, plasma, puntos, arco con electrodo consumible o no. Procesos por fusión, control con atmósfera inerte o en vacío. No fundentes.

• Reducir las tensiones residuales producidas en el proceso de fabricación. • Conseguir una adecuada combinación de ductilidad, maquinabilidad, estabilidad dimensional y estructural. • Incrementar resistencia por medio de procesos de revenido y recocido. • Optimizar propiedades particulares como la resistencia a la fractura, la resistencia a la fatiga o la resistencia a la fluencia a alta temperatura.

• Recocido contra Acritud

Tratamientos térmicos • Recocido Mill-annealing Doble recocido Derecristalización β • Revenido Se calienta la estructura obtenida por enfriamiento rápido a una alta temperatura (550ºC en aleaciones α/β), a las que las martensitas de la estructura sufren diversas transformaciones (revenido) al igual que la fase βretenida, obteniéndose con ello una alta resistencia.

• Aplicaciones biomédicas: titanio quirúrgico El titanio es un metal compatible con los tejidos del organismo humano que toleran su presencia sin reacciones alérgicas del sistema inmunitario.

• Industria energética El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas, debido principalmente a sus características de resistencia mecánica y químicas.

• Industria automovilística Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación de componentes de titanio, donde las empresas automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican.

• Industria militar El titanio se emplea como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.

• Industria aeronáutica y espacial Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales.

• Construcción naval La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval porque el contacto con el agua salada no le afecta.

• Industria relojera Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco.

• Joyería Metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos. • Instrumentos deportivos Se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.

• Decoración También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios.

Realizado por: Ana Peiyu Qiu Ma Carlos Pardo Zaragoza Clara Túnez Sánchez Estefanía García Rojano Julen Ventura Gil María del Mar Benavides Montes Pedro Cervera Raquel Serrano Lledó Raquel Sola García Teófilo Aguilera Miranda Víctor Reyes Martínez