Aplicación de productos de aleación estructural de pulvimetalurgia de titanio en el extranjero

La tecnología de la pulvimetalurgia del titanio comenzó a utilizarse a principios de los años 50, pero no fue hasta los años 70 cuando se produjo un avance significativo. Desde entonces, los países desarrollados de todo el mundo han invertido mucho esfuerzo en la investigación de esta tecnología y en el desarrollo de sus productos metalúrgicos, lo que ha hecho que se utilice ampliamente en muchos campos industriales.

En los últimos años, los productos de titanio en el campo de la aviación, además de las piezas estructurales de alto rendimiento a altas temperaturas, se están desarrollando hacia aleaciones de titanio de alta temperatura; en el campo no aeronáutico, la demanda de productos de titanio también está aumentando. Los expertos de la empresa japonesa Kobo Steel Company predicen que para finales de siglo, la aplicación de titanio en la industria no aeronáutica en el mercado industrial occidental aumentará del tercio actual de la producción de productos de procesamiento de titanio a al menos la mitad. De manera similar a la metalurgia de fundición de titanio, en el desarrollo de aplicaciones de metalurgia de polvos de titanio, cada país tiene su propio enfoque de acuerdo con sus necesidades. Estados Unidos se utiliza principalmente en ingeniería militar y aeronáutica, y los países industriales de Europa occidental (principalmente Alemania, Gran Bretaña y Francia) están comprometidos con el desarrollo de productos de metalurgia de polvos de titanio para aviación y algunos civiles, especialmente en el campo de las piezas estructurales de aviación. Hay muchas tecnologías y productos. Japón ha estado desarrollando vigorosamente productos civiles de titanio, especialmente productos de pulvimetalurgia de titanio en los campos de los océanos, la industria química, la energía, etc. Rusia también ha mostrado un alto nivel de aplicación de productos de pulvimetalurgia de titanio en los campos del petróleo, la industria química y la metalurgia.

Las aleaciones estructurales de titanio comúnmente utilizadas en la industria incluyen: titanio puro industrial, Ti-6 Al-4 V, Ti-5 Al-25 Sn, Ti-6 Al-6 V-2 Sn- (CuFe), Ti-8 Al-1 Mo-1 V. Las aleaciones estructurales de titanio de pulvimetalurgia a menudo utilizan aleaciones similares según las necesidades reales, y Ti-6 Al-4 V es la más utilizada.

1. Productos de aleación estructural de titanio obtenidos mediante pulvimetalurgia para aviación

1.1 Productos de aviación

Ya en 1956, la American Kitchen Appliance Company utilizó el método de prensado en caliente de polvo de titanio esponjoso para producir una gran cantidad de asientos de cojinetes para motores de turborreactores GET73, y luego, solo mediante el mecanizado de acabado para formar el producto final, el costo se redujo entre un 25% y un 30% en comparación con el mismo producto fabricado mediante el mecanizado de barras forjadas. En ese momento, la industria de fabricación de aeronaves de EE. UU. usaba polvo de aleación Ti-6 Al-4 V prensado en caliente para fabricar remaches, anillos de bloqueo para aviones de transporte C-5 A y álabes de compresores para motores TF39, y usaba polvo no aleado para hacer discos y asientos de válvulas.

La empresa estadounidense Dynamet utilizó polvo de aleación Ti-6 Al-4 V para preformar piezas en bruto y forjarlas en álabes de turbinas de gas. La empresa estadounidense Nuclear Materials and Equipment Company utilizó el proceso de forjado y refinado de piezas en bruto preformadas para fabricar los álabes guía y los anillos de carga de los motores de turbinas de gas. En un proyecto naval que costó 2 millones de dólares, la empresa estadounidense Grumman Aerospace utilizó el método de prensado isostático en caliente con molde cerámico para producir la varilla de soporte interior (0,77 kg) y el marco de la góndola del motor (23,85 kg) del caza F-14. La tasa de utilización del material aumentó del 15% al ​​30%, al 50%, al 60% y en algunos casos incluso llegó al 90%, y el coste se redujo entre el 25% y el 37%. Se dice que el coste de los puntales del fuselaje fabricados con polvo Ti-6 Al-4 V prensado isostáticamente en caliente (HIP) para el avión F-14 se ha reducido de 400 dólares por pieza forjada a 245 dólares.

MBB de Alemania utiliza polvo prealeado (PA) Ti-6 Al-4 V prensado isostático en caliente y forjado para producir juntas de bielas para palas de helicópteros y brazos de conexión para autobuses aéreos, ahorrando un 40% de materiales. El costo se puede reducir en un 25% utilizando solo el proceso HIP, y una mayor selección del mejor proceso puede reducir el costo al 34%.

1.2 Evaluación de los beneficios económicos de los productos de aviación

En términos generales, para piezas grandes y complejas, la pulvimetalurgia es más atractiva que la fundición. Según los análisis, la pulvimetalurgia puede reducir los costes entre un 20% y un 50%, dependiendo del tamaño y la complejidad del componente.

Grene H., del Instituto de Investigación Kruup de Alemania, utilizó polvos prealeados de Ti-6Al-4V y Ti-10V-2Fe-3Al y prensado isostático en caliente con moldes cerámicos para producir impulsores de formas complejas con propiedades mecánicas comparables a las de las aleaciones fundidas, reduciendo al mismo tiempo los costos en un 40 %. La estructura de costos se distribuye principalmente en los procesos de forjado y mecanizado. Por lo tanto, si se utiliza una tecnología de conformación neta más cercana para componentes de formas complejas, los beneficios económicos serán más evidentes.

La empresa estadounidense Crucible Materials Company produce un bastidor de soporte fijo para el motor del caza F-18. La forma es relativamente sencilla y el coste depende principalmente del coste del polvo y de la escala de producción [7]. Cuando se produce en serie, el coste de este componente es un tercio del de los métodos convencionales. Obviamente, el uso de la pulvimetalurgia para producir componentes grandes y complejos puede competir con los procesos convencionales. Los principales factores que determinan los costes de producción son el coste del polvo, la escala de producción y el moldeado casi neto.

1.3 Problemas en el desarrollo de productos de aviación

En la producción de piezas estructurales de aviación de aleación de titanio de metalurgia de polvos complejos, el método BE puede cumplir con los requisitos de rendimiento para piezas de aplicación sin fatiga y reducir en gran medida los costos; en cuanto a las piezas producidas por el método PA, su rendimiento (especialmente el rendimiento de fatiga) es comparable al de los productos producidos por el método de fundición; para piezas grandes complejas, sus costos de producción también son bajos, pero su aplicación en el campo de la aviación es relativamente pequeña y su lento progreso es difícil de entender. Froes FH cree que la razón radica en el conservadurismo inherente de la industria de la aviación. Por lo tanto, para desarrollar la aplicación de los productos PA, por un lado, es necesario insistir en bajos costos de producto y, por otro lado, el diseño del producto debe alcanzar el nivel requerido por los usuarios. Al mismo tiempo, se debe aumentar la escala de producción y se deben producir componentes complejos utilizando tecnologías más cercanas a la formación de red, y se debe utilizar un tratamiento químico de la superficie para mejorar las propiedades de la superficie, o se debe utilizar granallado para mejorar el rendimiento de fatiga de los componentes.

2 Productos de aleación estructural de titanio obtenidos mediante pulvimetalurgia para automóviles

2.1 Piezas de titanio para automóviles

Los fabricantes de automóviles han notado desde hace mucho tiempo el peso ligero y la alta resistencia del titanio. El titanio se ha utilizado en los coches de carreras durante más de 20 años. En la actualidad, casi todos los coches de carreras utilizan titanio, y algunos coches deportivos también utilizan diversas piezas de titanio. El uso de titanio en los motores de los coches de carreras puede reducir el peso de las piezas en movimiento y mejorar su rendimiento de aceleración. En Estados Unidos, se han producido y vendido en el mercado válvulas de escape, retenedores de válvulas, bielas y otras piezas de titanio para coches de carreras. El primer coche japonés en utilizar titanio fue el Nissan R382. En la actualidad, las principales piezas de titanio utilizadas en los automóviles incluyen:
(1) Válvulas. En los Estados Unidos, los fabricantes profesionales que utilizan aleaciones de titanio para fabricar válvulas de admisión y escape son relativamente comunes. La válvula de admisión utiliza aleación Ti-6Al-4V y la válvula de escape utiliza aleación Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo. La válvula de admisión hecha de aleación de titanio pesa 55 g, que es 35 g más liviana que la válvula de acero, y el rendimiento a alta velocidad mejora entre un 10% y un 15%. Una válvula de escape de titanio puede ser 50 g más liviana que una válvula de acero, y tiene una alta confiabilidad y una vida útil que es de 2 a 3 veces más larga. Además, se informa que el uso de aleaciones de titanio para válvulas de admisión y escape también puede ahorrar un 2% de combustible. Estas válvulas ahora se utilizan en varios tipos de motores de automóviles.

(2) Deflectores de válvulas. Los deflectores de válvulas fabricados con aleación Ti-6A1-4V se utilizan ampliamente en coches de carreras y deportivos, con una producción anual de más de 250.000 piezas. Son baratos y no requieren tratamiento de superficie (los materiales de titanio para automóviles generalmente requieren un tratamiento especial de endurecimiento de la superficie para resolver el problema de la fácil adhesión del titanio). También son entre 10 y 12 gramos más ligeros que las válvulas de acero. Japón utiliza aleación Ti-5A1-2Cr-Fe para fabricar deflectores de válvulas.

(3) Bielas. El uso de aleaciones de titanio para fabricar bielas es la forma más eficaz de reducir el peso del motor. Groth K. [10] calculó que cuando las bielas de acero se reemplazan por aleaciones de titanio, el rendimiento mejora en un 43% debido a la reducción de peso; si se considera la parte de aplicación de carga máxima y se requiere un refuerzo parcial, el rendimiento también se puede mejorar en un 27%. Incluso si se considera el bajo módulo elástico de la aleación de titanio y se requiere un refuerzo, el rendimiento aún se puede mejorar en un 17%. La biela está hecha de Ti-6A1-4V, y también se están desarrollando otros materiales de aleación como Ti-4A1-4Mn0-2Si y Ti-7AI-4Mo.

(4) Cigüeñal y otras piezas del motor. Japón y otros países están produciendo cigüeñales de aleación Ti-5AI-2Cr-Fe a modo de prueba. Este tipo de cigüeñal necesita un tratamiento para evitar la adherencia y aún no se ha puesto en práctica.
Otras piezas del motor incluyen balancines de aleación Ti-6A1-4V, resortes de válvulas y pernos inferiores de bielas.

(5) Carrocería y otras piezas. El uso de tubos y bridas de Ti-6AI-4V para soldar en el sistema de escape puede reducir el peso entre un 35% y un 45%. En el Prosche 908, los tubos y placas de titanio puro se sueldan en un sistema de escape completo de titanio, lo que reduce el peso en 450 kg. Además, hay pernos, tuercas y otros conectores de titanio y piezas de transmisión como discos de embrague y placas de presión. En comparación con la carcasa de acero, la carcasa de embrague de titanio fabricada mediante moldeo rotacional puede mitigar más fácilmente el impacto destructivo del volante.

En resumen, el uso de aleación de titanio ligera y de alta resistencia puede reducir el ruido, el impacto y la vibración de los motores de los automóviles y mejorar la eficiencia del combustible. Por lo tanto, a medida que los productos de titanio se dirigen cada vez más hacia mercados no relacionados con la aviación, su entrada en la industria automotriz es de gran importancia. Un informe de American Refractory Metals Co., Ltd. señaló que Ford utilizó piezas de aleación de titanio para los componentes del cilindro en sus modelos de 1989; y Mitsubishi Corporation de Japón ya ha utilizado válvulas de admisión y escape de aleación de titanio en sus modelos de 1986. El automóvil deportivo supercargado FZR 750R producido por la empresa japonesa YAMAHA Engine Company utiliza bielas de aleación de titanio. El producto es pequeño y tiene un dispositivo de centro de gravedad bien equilibrado, que puede garantizar un uso continuo y duradero a altas velocidades. El precio es de 2 millones de yenes por vehículo. El Instituto Central de Investigación de Mitsubishi Metal Corporation de Japón utiliza desechos de aleación Ti-6AI-2Sn-42r-2Mo para fabricar cabezas de válvulas mediante fundición, y utiliza desechos de aleación Ti-6 Al-4V para fabricar vástagos de válvulas, que se conectan mediante soldadura por fricción para fabricar las válvulas de admisión y escape de los motores de los automóviles.

2.2 Piezas estructurales de aleación de titanio obtenidas por pulvimetalurgia para automóviles

Las piezas estructurales de aleación de titanio mencionadas anteriormente para automóviles son todas productos fundidos o forjados. Se informa que la ex Unión Soviética aplicó productos de pulvimetalurgia de titanio a los motores de automóviles en la década de 1970. Por ejemplo, las bielas de pulvimetalurgia se utilizaron con éxito en el automóvil Zaporozhers-969 de 0,5 t, y se estima que se pueden ahorrar 16.450 rublos por cada 100.000 bielas forjadas en caliente con pulvimetalurgia producidas. Japón utilizó titanio sinterizado como tuercas y tapacubos en 1975.

En 1987, Clevite Company de los Estados Unidos utilizó el método de elementos mixtos (BE) para producir copas de retención de resortes de válvulas y bielas de titanio. La copa de retención de resortes de válvulas de aleación Ti-6AI-4V producida por el método MR-9 patentado por la compañía, después del prensado en frío y la sinterización al vacío, cumple completamente con los requisitos de rendimiento mecánico (especialmente el rendimiento de fatiga). El peso se reduce de 28,5 g de piezas de acero forjado convencionales a 8,5 g de piezas de pulvimetalurgia. La resistencia a la tracción y el rendimiento de fatiga superan los valores especificados, el peso se reduce en un 70%, la tasa de utilización del material es del 100% y el costo es menor que el de las piezas de titanio fundido de 7,8 g. Ha pasado la prueba de fatiga de 10 millones de ciclos realizada por Honda Motor Company en la prueba de fatiga de Amsler. Clevite utiliza prensado isostático en frío y sinterización al vacío de piezas en bruto de bielas de aleación Ti-6A1-4V en polvo, que luego Honda R&D Co., Ltd. mecaniza e inspecciona según su diseño. Los resultados muestran que las bielas producidas por el proceso MR-9 tienen un buen rendimiento y la resistencia a la flexión es entre un 21% y un 43% mayor que la resistencia máxima (108 MPa) de las bielas de acero con la misma sección transversal. Las bielas y las muestras de superficie pulida se tiran y comprimen repetidamente y sus resistencias a la resistencia son de 212 MPa y 254 MPa respectivamente. La tasa de utilización del material es del 80%. Honda estima que se puede reducir al menos el 33% del peso.

2.3 Posible desarrollo

Como el titanio tiende a usarse en el campo civil y las características del titanio aportan mejoras significativas en el rendimiento de los automóviles, el titanio tiene un gran potencial para la producción a gran escala en la industria automotriz. Aunque el alto precio es la razón por la que las aleaciones de titanio no se han utilizado ampliamente en automóviles, también se debe obviamente a su escasa publicidad y desarrollo insuficiente. Aunque el uso de titanio para reducir 1 kg de peso aumentará el costo de 600 a 800 yenes, por lo que sigue siendo difícil de usar en automóviles comunes, pero con el problema energético cada vez más grave, los automóviles de alta eficiencia de combustible se han convertido en una preocupación común de los fabricantes de automóviles y clientes en general. Cada automóvil solo necesita 1 kg de piezas de titanio, y la cantidad de titanio utilizada es considerable de acuerdo con la escala actual de producción de automóviles. Obviamente, siempre que las piezas del automóvil se seleccionen correctamente, el diseño del producto se optimice, se adopte la tecnología de metalurgia de polvos de elementos mixtos que pueda cumplir con el rendimiento del automóvil y sea de bajo costo, y la producción a escala esté razonablemente organizada, es posible que los materiales estructurales de aleación de titanio se utilicen ampliamente en automóviles comunes.

El uso de la pulvimetalurgia para producir aleaciones de titanio basadas en compuestos intermetálicos Ti3Al y TiAl puede sustituir al acero resistente al calor en los motores de los automóviles, reducir el peso del vehículo y mejorar la eficiencia del combustible. Puede resultar más fácil de poner en práctica que la cerámica de ingeniería para automóviles.

3. Otras aplicaciones

Los expertos japoneses predicen que el titanio sinterizado por pulvimetalurgia tiene los siguientes usos en maquinaria de precisión: piezas de cámaras (obturadores, etc.), piezas de relojes (cajas de relojes), instrumentos de medición, piezas de máquinas de prueba, fotocopiadoras, piezas de máquinas de impresión, etc.; en la industria electrónica, tiene los siguientes usos: rodillos guía de grabadoras de cinta, materiales de cabezales magnéticos, maquinaria de comunicación (materiales de membrana de vibración), piezas de electrodomésticos, cojinetes, etc. Además, también se utiliza en artículos de primera necesidad, artículos deportivos, artesanías y maquinaria médica. En la industria civil, el uso de pulvimetalurgia de titanio también es rentable en comparación con la fundición de aleaciones de titanio. De hecho, se han producido en masa algunas piezas de formas especiales, tuercas, anillos de válvulas, soportes de cilindros y otros accesorios de algunos sistemas hidráulicos. En los últimos años, Japón ha prestado gran atención al desarrollo de aplicaciones de titanio en artículos deportivos, construcción, decoración, muebles, utensilios de cocina, etc., y sus productos son básicamente productos fundidos y procesados. Obviamente, para la industria civil que da más importancia a los beneficios económicos, la aplicación de la pulvimetalurgia del titanio en algunos productos resulta muy atractiva. Japón ha desarrollado bicicletas de titanio, incluidas llantas, cuadros, vigas, cabezales, manillares, anillos guía, engranajes y otras piezas de titanio, que se fabrican mediante laminación, conformado o forjado. Cada vehículo pesa entre 8,5 y 9,5 kg y su demanda es bastante grande. El precio de cada coche de carreras de alta gama es de 250.000 a 300.000 yenes.

Por ejemplo, Mori Industries, Shimano y otras empresas japonesas han intentado producir un grupo de piezas de bicicleta de alta gama llamadas DURA-ACE, que incluyen dispositivos de cigüeñal de piñón, dispositivos de guía de volante, pedales, ruedas guía, frenos de tarjeta y otras piezas que se han vendido en el mercado. Después de reemplazar las piezas de hierro, puede reducir el peso del vehículo entre un 50% y un 60%. Después de mejorar la dureza de las aleaciones de titanio mediante tratamiento térmico y tratamiento de superficie, se puede obtener un rendimiento satisfactorio. En tales aplicaciones, es técnica y económicamente factible utilizar aleaciones de titanio de pulvimetalurgia similares a las piezas mencionadas anteriormente y otras piezas de tuercas.