Descubre la aleación Ti-6Al-4V : Propiedades, aplicaciones y cómo se fabrica esta aleación clave
1. Historia
La aleación
Ti-6Al-4V fue desarrollada en los años 50 por la empresa estadounidense
Watertown Arsenal para aplicaciones aeroespaciales y militares. Su uso creció
rápidamente debido a su excelente relación resistencia-peso y resistencia a la
corrosión.
2. Composición Química
La composición
típica en porcentaje en peso es:
Titanio (Ti):
~90%
Aluminio (Al): 6%
Vanadio (V): 4%
Otros elementos
pueden estar presentes en pequeñas cantidades (como hierro, oxígeno, carbono,
nitrógeno, hidrógeno), pero en niveles muy bajos.
3. Clasificación
Es una aleación
alfa-beta, lo que significa que contiene fases alfa (hexagonal compacta) y beta
(cúbica centrada en el cuerpo). Esta clasificación permite un equilibrio entre
resistencia y ductilidad.
4. Propiedades
Físicas:
- Densidad: ~4.43 g/cm³ (ligero)
- Punto de fusión: ~1600 °C
Mecánicas:
- Resistencia a la tracción: ~900–1200 MPa
- Módulo elástico: ~110 GPa
- Excelente tenacidad y resistencia a la fatiga
Químicas:
- Alta resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes marinos y corporales (biocompatibilidad)
5. Diagrama de Fase
En el sistema
ternario Ti-Al-V, el aluminio estabiliza la fase alfa, y el vanadio estabiliza
la fase beta. A temperatura ambiente, Ti-6Al-4V presenta una mezcla de ambas
fases.
Regiones principales del diagrama:
α(Ti):
Fase alfa del
titanio. Es una fase de estructura hexagonal compacta (HCP), estable a bajas
temperaturas y baja concentración de Al (menos del 5 % aproximadamente).
Se caracteriza
por su alta resistencia a la corrosión y moderada resistencia mecánica.
β(Ti):
Fase beta del
titanio. De estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), se estabiliza a
altas temperaturas o con elementos estabilizantes como vanadio (aunque este
diagrama es sólo Ti-Al).
Se observa por encima
de ~882 °C en el titanio puro.
Ti₃Al (Titanio
Trialuminuro):
Intermetálico
ordenado, importante por sus excelentes propiedades a alta temperatura y baja
densidad. Se forma en un rango intermedio de concentraciones (~12-25% en peso
de Al).
TiAl (Titanio
Monoluminuro):
Intermetálico de
tipo gamma-TiAl, de estructura tetragonal ordenada.
Muy apreciado en
aplicaciones aeroespaciales modernas por su alta resistencia específica
(relación resistencia/peso) y resistencia al creep.
TiAl₂ y TiAl₃:
Son otras fases
intermetálicas ricas en Al, pero menos utilizadas estructuralmente debido a su
baja ductilidad.
L (Líquido):
Región donde el
material está completamente fundido.
Superlattice
Structures (PTi₃Al):
Áreas específicas
donde hay estructuras ordenadas dentro de la matriz de Ti₃Al o TiAl, útiles
para reforzar las propiedades mecánicas.
Transformaciones
importantes:
Transición α → β
en titanio puro a ~882 °C.
Fusión completa
del sistema por encima de los 1670 °C en titanio puro y disminuyendo a medida
que aumenta el contenido de aluminio.
El punto
eutectoide está alrededor de ~1285 °C, donde el material puede transformarse en
fases intermetálicas útiles.
A medida que
aumenta el contenido de aluminio, las fases intermetálicas dominan, lo que
mejora la resistencia a altas temperaturas pero reduce la ductilidad.
6. Aplicaciones
Aeroespacial:
piezas estructurales, turbinas, fuselajes
Médico: implantes ortopédicos, prótesis, instrumentos quirúrgicos
Automotriz: válvulas, componentes de alto rendimiento
Industria deportiva: bicicletas, equipos de buceo, raquetas
7. Proceso de Obtención
Mezcla de
materias primas (Ti, Al, V)
Fusión por arco de
vacío o fusión por inducción
Colada y
solidificación controlada
Procesado
mecánico (forja, laminado)
Tratamientos
térmicos para ajustar microestructura
8. Ventajas
Alta resistencia
específica (resistencia/peso)
Excelente
resistencia a la corrosión
Buena
biocompatibilidad
Mantenibilidad a
altas temperaturas
9. Desventajas
Costo elevado de
materias primas y procesamiento
Dificultad de
mecanizado
Conductividad
térmica baja
Fragilidad
relativa a muy altas temperaturas
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