El Titanio y sus Aleaciones

1. Características y Propiedades

Las aleaciones de titanio son relativamente nuevas. Poseen una alta resistencia específica, buenas propiedades a temperaturas elevadas y excelente resistencia a la corrosión en medios ácidos oxidantes, medios clorurados y ambientes naturales. Sin embargo, su principal desventaja es su elevado costo. El titanio es un material ligero, con una densidad de 4,5 g/cm³. Su punto de fusión es alto, y es posible forjarlo gracias a su estructura cristalina alotrópica: a baja temperatura es HCP (hexagonal compacta) y a alta temperatura es BCC (cúbica centrada en el cuerpo). Sus propiedades clave son:

• Alta resistencia específica: Ideal para componentes que operan a altas temperaturas y requieren bajo peso, como en la industria aeronáutica y aeroespacial.
• Biocompatibilidad: Adecuado para aplicaciones biomédicas, como prótesis.
• Resistencia a la corrosión: Excelente comportamiento en ambientes marinos, industria química e industria del papel.
• Resistencia a la fluencia: Permite su uso en aplicaciones donde el material está sometido a altas temperaturas durante periodos prolongados.

2. Titanio Comercialmente Puro

El titanio comercialmente puro tiene un rango de pureza entre 99,0% y 99,5%. Los elementos aleantes mejoran ligeramente la resistencia mecánica. A menor porcentaje de elementos aleantes, la tenacidad aumenta. Comparado con las aleaciones de titanio, el titanio puro presenta menor resistencia mecánica, mayor resistencia a la corrosión y un menor precio.

3. Aleaciones α

Las aleaciones α no son tratables térmicamente (no termotratables). Son soldables, poseen una resistencia media, buena tenacidad, buena resistencia a la fluencia a altas temperaturas y buena resistencia a la corrosión. Se utilizan, por ejemplo, en tanques criogénicos. El aluminio (Al) es el elemento aleante más importante del titanio, ya que presenta una alta solubilidad en estado sólido, un elevado efecto endurecedor por solución sólida, aumenta la temperatura de transición, mejora las propiedades a altas temperaturas y reduce la densidad. Su resistencia es moderada, pero es soldable y tiene buena resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas. La formación de la fase α₂ (Ti₃Al) limita la cantidad de Al que se puede añadir, ya que produce fragilización, alta densidad de dislocaciones y susceptibilidad al agrietamiento por fatiga. El estaño (Sn) estabiliza la fase α y contribuye al endurecimiento por solución sólida. Las propiedades mecánicas son intermedias. La presencia de elementos aleantes aumenta la resistencia, pero disminuye la tenacidad.

4. Aleaciones Cuasi α

Las aleaciones cuasi α tienen mayor resistencia que las aleaciones α a temperatura ambiente. Pequeñas cantidades de fase β mejoran la forjabilidad. Además, tienen una gran resistencia a la fluencia a temperaturas superiores a 400 °C. Sus aleantes principales son el Al y el Sn, que estabilizan la fase α. El Sn también aumenta la resistencia mecánica y a la fluencia por solución sólida. Poseen buena soldabilidad, alta resistencia a la fluencia, alta tenacidad, alta resistencia mecánica y alto módulo elástico. Sin embargo, su ductilidad es moderada y son susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión en ambientes marinos. Los tratamientos térmicos en estas aleaciones pueden realizarse en el campo α+β o en el campo β.

• Campo α+β: Se forjan a temperaturas en el campo α+β (900-1010 °C), se enfrían al aire formando granos equiaxiales de α’ y α Widmanstatten (formada a partir de la β preexistente). También se pueden enfriar rápidamente, produciendo una transformación martensítica que aumenta la resistencia mecánica y disminuye la resistencia a la fluencia.
• Campo β: Mejoran el trabajo a alta temperatura y disminuyen la resistencia por crecimiento de grano. Si se templan, la fase β se convierte en martensita α’ rodeada de β retenida fina. Si se revienen, aparecen placas de α rodeadas por una dispersión fina de partículas β.

5. Aleaciones α + β

Las aleaciones α + β representan el 60% de las aleaciones de titanio. Son tratables térmicamente, por lo que su resistencia puede variar de media a alta. Tienen buena conformabilidad, pero su resistencia a la fluencia a altas temperaturas es baja. La aleación más típica es Ti-6Al-4V. La microestructura depende de la composición química, del proceso de fabricación y del tratamiento térmico. Los diferentes enfriamientos producen distintas microestructuras:

• Enfriamiento al horno: Se obtiene una estructura de equilibrio de α gruesa en forma de placas y algo de β retenida entre los granos (intergranular).
• Enfriamiento al aire: Se obtiene α acicular.
• Temple: Se obtiene α’ martensítica.

La martensita que se forma en el temple son placas altamente macladas de α’, pero esta martensita es más blanda que la de los aceros. Con el revenido o envejecimiento, aumenta la resistencia mecánica y se produce la precipitación de β en α.

Si el tratamiento térmico se realiza por encima de M_s (temperatura de inicio de la transformación martensítica):

• Enfriamiento al horno o al aire: Estructura de equilibrio de α’ equiaxial más α+β intergranular.
• Temple: α’ equiaxial con α’ martensítica.
• Revenido: α equiaxial y β fina.

Si el tratamiento térmico se realiza por debajo de M_s:

• Enfriamiento al horno o al aire: Estructura de equilibrio de α’ equiaxial más α+β intergranular.
• Temple: α’ equiaxial con α martensítica más β retenida.
• Revenido: α equiaxial y β fina.

La ductilidad es mayor en la aleación α+β que en la aleación β, pero la tenacidad a la fractura es mayor para la estructura de recocido en la fase β, ya que posee una mayor tenacidad. El revenido aumenta la resistencia mecánica.

6. Aleaciones β

Las aleaciones β tienen alta resistencia y baja ductilidad, pero son fácilmente conformables (debido a su estructura BCC). Son tratables térmicamente y, al hacerlo, son las que obtienen la mayor resistencia. Se les pueden añadir elementos aleantes como el circonio (Zr) para endurecer por solución sólida, o aluminio (Al) para disminuir la densidad, producir endurecimiento por solución sólida y aumentar la resistencia a la oxidación. Con los tratamientos térmicos se busca omitir la formación de la fase ω, una fase de transición frágil que disminuye la tenacidad a la fractura. Si se templan, se obtiene β equiaxial. Si se realiza un envejecimiento, se puede precipitar la fase α en β.