Introducción a los metales en polvo: titanio

1. Fuente de titanio

El titanio fue descubierto por primera vez en 1791 por un mineralogista aficionado llamado Gregor en el Reino Unido. En 1795, el químico alemán Klaprous bautizó esta sustancia metálica desconocida con el nombre del dios griego Titanes, que se traduce como "titanio" en chino e inglés. El titanio es abundante en la Tierra. Hay más de 140 minerales de titanio conocidos, pero las principales aplicaciones industriales son la ilmenita y el rutilo. Entre ellos, las reservas de ilmenita de China representan el 28% de las reservas mundiales, ocupando el primer lugar en el mundo.

El titanio es reconocido como un elemento no tóxico en el mundo, con altos costos de extracción y producción y precios elevados. Debido a una serie de calificaciones como resistencia a altas y bajas temperaturas, fuerte resistencia a ácidos y álcalis, alta resistencia y baja densidad, se ha convertido en un material especial para los satélites de cohetes de la NASA, y también se ha utilizado en el Yutu de mi país, J-20, portaaviones Shandong y otros superproyectos. Después de ingresar al campo civil en la década de 1980, se ha convertido en el "rey honorario de los metales" en la industria alimentaria con sus propiedades antibacterianas y biofílicas naturales.

2. La diferencia entre el titanio puro y la aleación de titanio.

El titanio puro, también llamado titanio puro industrial o titanio puro comercial, se clasifica según el contenido de elementos de impureza. Tiene un excelente rendimiento en el proceso de estampación y en el rendimiento de la soldadura, es insensible al tratamiento térmico y al tipo de organización, y tiene cierta resistencia en condiciones plásticas satisfactorias. Su resistencia depende principalmente del contenido de elementos intersticiales oxígeno y nitrógeno. Las propiedades del titanio puro industrial al 99,5% son: densidad P=4,5 g/cm3, punto de fusión 1800°C, coeficiente de conductividad térmica λ=15,24 W/(MK), resistencia a la tracción σ b=539MPa, alargamiento: δ =25%, contracción transversal ψ=25%, módulo elástico E=1,078×105MPa, dureza HB195. Aleación de titanio La aleación de titanio es una aleación compuesta de titanio y otros elementos. Es un metal relativamente joven con una historia de solo sesenta o setenta años desde su descubrimiento hasta la actualidad. Los materiales de aleación de titanio tienen las características de peso ligero, alta resistencia, baja elasticidad, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. Se utilizan principalmente en motores de aeronaves, cohetes, misiles y otras piezas. El titanio tiene dos isomorfos. El titanio es un isómero con un punto de fusión de 1720 °C. Tiene una estructura reticular hexagonal compacta por debajo de 882 °C, llamada titanio; por encima de 882 °C, tiene una estructura reticular cúbica centrada en el cuerpo, llamada titanio B. Al utilizar las diferentes características de las dos estructuras de titanio anteriores, se añaden los elementos de aleación adecuados para cambiar gradualmente su temperatura de transición de fase y su contenido de fase para obtener aleaciones de titanio con diferentes estructuras (aleaciones de titanio). Los elementos de aleación de titanio se pueden dividir en tres categorías según su influencia en la temperatura de transición de fase:

①Los elementos que estabilizan la fase a y aumentan la temperatura de transición de fase son elementos estabilizadores a, entre ellos el aluminio, el magnesio, el oxígeno y el nitrógeno. Entre ellos, el aluminio es el principal elemento de aleación de la aleación de titanio, que tiene un efecto significativo en la mejora de la resistencia a temperatura ambiente y a altas temperaturas de la aleación, reduciendo la gravedad específica y aumentando el módulo elástico.

② Los elementos que estabilizan la fase B y reducen la temperatura de transición de fase son elementos estabilizadores B. Se pueden dividir en tipos isomorfos y eutectoides. Los primeros incluyen molibdeno, niobio, vanadio, etc.; los segundos incluyen cromo, manganeso, cobre, silicio, etc.

③ Los elementos que tienen poco efecto sobre la temperatura de transición de fase son elementos neutros, como el circonio y el estaño.

Las calificaciones más comunes se explican en detalle:

TA1 (Estándar americano Gr1)

El titanio TA1 (Gr1) es el primero de los cuatro grados de titanio puro industrial. Es el más blando y dúctil de estos grados. Tiene máxima formabilidad, excelente resistencia a la corrosión y alta tenacidad al impacto. El grado TA1 es el material de elección para cualquier aplicación que requiera una formabilidad fácil y se utiliza comúnmente en placas y tubos de titanio.

Grado TA2 (estándar americano Gr2)

El titanio de grado TA2 se conoce como el "caballo de batalla" de la industria comercial del titanio puro debido a su diversa disponibilidad y amplia disponibilidad. Tiene muchas de las mismas cualidades que la aleación de titanio de grado TA1, pero es ligeramente más fuerte. Ambos son igualmente resistentes a la corrosión. Este grado tiene buena soldabilidad, resistencia, ductilidad y conformabilidad. Esto hace que las barras y láminas de titanio de grado TA2 sean la primera opción para muchas aplicaciones en la construcción, la generación de energía, las industrias médicas, etc.

Grado TA3 (ANSI Gr3)

Este grado es el grado de titanio puro comercialmente menos utilizado, pero eso no lo hace menos valioso. El grado TA3 es más resistente que los grados TA1 y TA2, con una ductilidad similar y una capacidad de conformado leve. Pero tiene propiedades mecánicas superiores a las de sus predecesores. El grado TA3 se utiliza en aplicaciones que requieren una resistencia moderada y una gran resistencia a la corrosión, como la industria aeroespacial, de procesamiento químico, marina, etc.

Grado TA4 (ANSI Gr4)

El grado TA4 se considera el más resistente de los cuatro grados de titanio comercialmente puros. También es conocido por su excelente resistencia a la corrosión, buena conformabilidad y soldabilidad. Se utiliza en algunos componentes de fuselaje, recipientes criogénicos, intercambiadores de calor, etc., aplicaciones que requieren alta definición.

Grado TA9 (ANSI Gr7)

El grado TA9 es mecánica y físicamente equivalente al grado TA2, excepto por la adición del elemento intersticial paladio, lo que lo convierte en una aleación. El grado 7 tiene una soldabilidad y propiedades excelentes y es el más resistente a la corrosión de todas las aleaciones de titanio. De hecho, es el más resistente a la corrosión en ácidos reductores. El grado TA9 se utiliza para componentes de equipos de producción y procesos químicos. El TA9 tiene una resistencia a la corrosión extremadamente fuerte, especialmente en entornos de ácidos reductores.

Grado TA9-1 (Estándar americano Gr11)

El grado TA9-1 es muy similar al grado TA1, excepto que se agrega una pequeña cantidad de paladio para mejorar la resistencia a la corrosión y convertirlo en una aleación. Esta resistencia a la corrosión se puede utilizar para prevenir la corrosión por grietas y reducir los ácidos en entornos con cloruro. Otras propiedades útiles incluyen ductilidad óptima, conformabilidad en frío, resistencia útil, tenacidad al impacto y excelente soldabilidad. Esta aleación se puede utilizar en las mismas aplicaciones de titanio que el grado 1, especialmente donde se requiere resistencia a la corrosión.

Ti 6Al-4V (estándar nacional TC4, estándar americano Gr5)

Grado Conocido como el "caballo de batalla" de las aleaciones de titanio, el titanio Ti6Al-4V o Grado 5 es el más utilizado de todas las aleaciones de titanio. Representa el 50% del titanio total utilizado en todo el mundo. Su disponibilidad radica en sus numerosos beneficios. El Ti6Al-4V se puede tratar térmicamente para aumentar su resistencia. Se puede utilizar en estructuras soldadas a temperaturas de servicio de hasta 600 °F. La aleación combina alta resistencia con peso ligero, formabilidad útil y alta resistencia a la corrosión. La disponibilidad de Ti6Al-4V lo convierte en una aleación óptima para su uso en varias industrias, como la industria aeroespacial, médica, marina y de procesamiento químico. Se puede utilizar para crear el siguiente contenido técnico: Componentes de motores de turbinas de aeronaves Componentes estructurales de aeronaves Sujetadores aeroespaciales Piezas de automóviles de alto rendimiento Aplicaciones marinas Equipo deportivo

Grado Ti 6AL-4V ELI (GB TC4ELI, ANSI Gr23)

El grado Ti 6AL-4V ELI o TC4ELI es una forma de Ti 6Al-4V de mayor pureza. Se puede fabricar en bobinas, hebras, alambres o alambres planos. Es la primera opción para cualquier situación en la que se requiera alta resistencia, peso ligero, buena resistencia a la corrosión y alta tenacidad. Tiene una excelente tolerancia al daño de otras aleaciones. Estas ventajas hacen que el grado TC4ELI sea el mejor grado de titanio médico y dental. Debido a su biocompatibilidad, buena resistencia a la fatiga y bajo módulo, se puede utilizar en aplicaciones biomédicas como componentes implantables. También se puede utilizar en aplicaciones quirúrgicas detalladas como: Clavijas y tornillos ortopédicos Cables ortopédicos Implantes quirúrgicos de ligadura Aparatos de ortodoncia En reemplazos de articulaciones Contenedores criogénicos Dispositivos de fijación ósea

Grado TA10 (Estándar americano Gr12)

El titanio de grado TA10 recibe una calificación de "excelente" debido a su soldabilidad de alta calidad. Es una aleación muy duradera que proporciona una gran resistencia a altas temperaturas. El titanio de grado TA10 tiene propiedades similares a los aceros inoxidables de la serie 300. La aleación se puede formar en caliente o en frío mediante métodos de formación por prensado, hidroformado, formación por estirado o martillo de caída. Su capacidad para formarse de diversas formas la hace útil en muchas aplicaciones. La alta resistencia a la corrosión de esta aleación también la hace invaluable para aquellos equipos de fabricación donde la corrosión por grietas es una preocupación. El grado TA10 se puede utilizar en las siguientes industrias y aplicaciones: Carcasas e intercambiadores de calor Aplicaciones hidrometalúrgicas Fabricación de productos químicos a alta temperatura Componentes marinos y de boletos

Ti5Al-2,5Sn

El Ti 5Al-2.5Sn es una aleación que no se puede tratar con calor y que puede lograr una buena soldabilidad y estabilidad. También tiene estabilidad a altas temperaturas, alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y buena resistencia a la fluencia. La fluencia se refiere al fenómeno de deformación plástica que ocurre a altas temperaturas durante un tiempo prolongado. El Ti 5Al-2.5Sn se utiliza principalmente en aplicaciones de aeronaves y fuselajes y en aplicaciones de baja temperatura.

3. Aplicación de titanio y aleaciones de titanio.

Aunque el titanio y sus aleaciones son materiales abundantes en reservas, son muy caros. Esto se debe a que el titanio tiene una baja actividad química en condiciones de alta temperatura y su tecnología de fundición y entorno operativo son muy duros. Debe fundirse en condiciones de alta temperatura y vacío, y la temperatura a menudo supera los 800 ℃, lo que es mucho más difícil que la fundición de acero. Por lo tanto, siempre que se menciona la aleación de titanio, la gente piensa que es un material metálico de alta calidad con bajo rendimiento y alto precio, y pocas aplicaciones.

En la actualidad, debido a las excelentes propiedades de las aleaciones de titanio, como peso ligero, alta resistencia y resistencia a altas temperaturas, el titanio y los materiales de aleación de titanio se utilizan ampliamente en la fabricación de armas de última generación y equipo pesado nacional en varios países, como por ejemplo, siendo especialmente adecuados para su uso en el campo aeroespacial. Ejemplos de áreas de aplicación son los siguientes: Industria química

1. Industria alcalina

La aparición de refrigeradores de titanio en la industria alcalina puede resolver eficazmente el problema de la producción de gas cloro no calificado debido a los procesos de enfriamiento tradicionales poco razonables. Al mismo tiempo, ha cambiado el panorama de producción de la industria cloroalcalina, y la vida útil de los refrigeradores de aleación de titanio invertidos puede ser de hasta 20 años.

2. Industria de la sal

El proceso de producción de sal más avanzado es la producción de sal al vacío, y la salmuera concentrada a alta temperatura producida en este proceso causará graves daños a la estructura de acero al carbono y provocará goteos en el equipo. El uso de estructuras compuestas de titanio y acero en cámaras de calentamiento y cámaras de evaporación puede prevenir eficazmente la formación de incrustaciones de sal, mejorar la calidad de la producción de sal y reducir la corrosión de la salmuera de alta concentración en la pared de la tubería durante la evaporación, lo que extiende el ciclo de mantenimiento. Aeroespacial 1. Industria de la aviación La aplicación de aleaciones de titanio en la aviación se divide en aleaciones de titanio estructurales para aeronaves y aleaciones de titanio estructurales para motores. Las principales partes de aplicación de las piezas estructurales de aleación de titanio para aeronaves son piezas del tren de aterrizaje, marcos, vigas, revestimientos del fuselaje, escudos térmicos, etc. El avión Il-76 de Rusia utiliza aleación de titanio BT22 de alta resistencia para fabricar componentes clave como el tren de aterrizaje y las vigas portantes; El material de la viga de transmisión del tren de aterrizaje principal del Boeing 747 es Ti-6Al-4V, la forja tiene 6,20 metros de largo, 0,95 metros de ancho y pesa 1545 kilogramos; la aleación de titanio Ti-62222S de alta resistencia y alta tenacidad se utiliza en las partes clave del eje estabilizador horizontal del avión C-17. En términos de motores de aviación, las aleaciones de titanio se utilizan en discos de compresor, palas, tambores, rotores de compresores de alta presión, carcasas de compresores, etc. El borde de ataque y la punta de las palas del ventilador del motor Boeing 747-8GENX utilizan fundas protectoras de aleación de titanio, que solo se han reemplazado tres veces durante la vida útil de 10 años.

2. Industria aeroespacial

Las condiciones de trabajo de las naves espaciales son muy extremas. Además del diseño estructural del material, que requiere una tecnología excelente, las excelentes características y funciones del propio material también son muy importantes. Por lo tanto, la aleación de titanio se destaca entre muchos materiales. En términos de equipamiento aeroespacial, en la década de 1960, las vigas y costillas de las alas de la cabina doble y la cabina cerrada de la nave espacial del programa Apolo de los Estados Unidos estaban hechas de Ti-5Al-2.5Sn, y el revestimiento estaba hecho de titanio puro; la empresa alemana MT Aerospace preparó un tanque de sistema de propulsión de aleación Ti-15V-3Cr de alta resistencia y lo aplicó a la plataforma gigante del satélite de comunicaciones europeo Alpha; hay muchos ejemplos de la aplicación de aleaciones de titanio rusas en la ingeniería aeroespacial, como el vehículo de lanzamiento Energia que utiliza una forja y forjado de matriz grande de aleación de titanio BT23 de 3,5 t. Además, las aleaciones de titanio también se utilizan en el tanque de combustible de los motores de cohetes de combustible líquido, tanques de almacenamiento de líquido criogénico e impulsores de bombas de suministro de hidrógeno líquido, etc.

De manera similar, con el rápido desarrollo de la ingeniería aeroespacial nacional, las aleaciones de titanio también se han utilizado ampliamente. Desde el satélite Dongfang-1 en 1970 hasta la actual nave espacial de la serie Shenzhou y la sonda Chang'e, se han utilizado aleaciones de titanio. Además, los cilindros de aleación de titanio TA7ELI de baja temperatura para su uso en entornos de hidrógeno líquido desarrollados por mi país se han utilizado en la serie de vehículos de lanzamiento Long March; el Instituto de Tecnología de Harbin utilizó la aleación de titanio TC4 para preparar las llantas de las ruedas del rover lunar; además, mi país también utiliza BT20 y otras aleaciones de titanio de alta resistencia para fabricar carcasas de motores de misiles, toberas y otros componentes. Campo de barcos El titanio y las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en submarinos nucleares, sumergibles, rompehielos atómicos, hidroplanos, aerodeslizadores, dragaminas, así como en propulsores de hélice, antenas de látigo, tuberías de agua de mar, condensadores, intercambiadores de calor, dispositivos acústicos y equipos de extinción de incendios. Por ejemplo, el sumergible estadounidense "Sea Cliff" está equipado con una cabina de observación y una cabina de control de titanio, y su profundidad de inmersión puede alcanzar los 6100 m; la empresa japonesa Toho Titanium Company y Fujishin Shipbuilding construyeron conjuntamente la lancha rápida totalmente de titanio "Marishiten II", que fue muy popular en los Estados Unidos durante un período de tiempo; el primer sumergible tripulado diseñado e integrado independientemente de mi país, "Jiaolong", también utiliza aleaciones de titanio, y el rango de trabajo de Jiaolong cubre el 99,8% del área oceánica global.

4. Problemas actuales y perspectivas del titanio y las aleaciones de titanio

Aunque el titanio y las aleaciones de titanio han logrado avances significativos, también se han expuesto los problemas existentes y el desarrollo de las aleaciones de titanio también enfrenta desafíos considerables. Esto se refleja principalmente en los tres aspectos siguientes:

• Producción

Aunque mi país es un país con una importante industria del titanio, la cantidad de productos de alta calidad en producción no es alta y los tipos de productos de titanio con propiedades especiales son pocos. En segundo lugar, mi país no puede producir tiras de titanio y perfiles extruidos de titanio en lotes y de manera estable, lo que limita el desarrollo y la utilización del titanio y las aleaciones de titanio en los campos aeroespacial, oceánico y otros. Todavía es muy difícil aumentar aún más el contenido de titanio de los motores de aeronaves hasta aproximadamente el 50%.

2) Rendimiento Dado que el metal de titanio tiene una alta actividad química y se contamina fácilmente con otros elementos, el proceso de procesamiento y fabricación de la aleación de titanio es muy alto. Al mismo tiempo, los productos de alto rendimiento procesados ​​deben considerar integralmente sus propiedades mecánicas, físicas, químicas y de proceso. La marcada disminución de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la oxidación a alta temperatura de las aleaciones de titanio existentes por encima de los 600 °C son los dos principales obstáculos para la expansión de las aplicaciones de la aleación de titanio.

3) Costo En la actualidad, todos los países están trabajando arduamente para reducir el costo de aplicación de las aleaciones de titanio y han logrado muchos logros. Sin embargo, en lo que respecta a la situación actual en mi país, el nivel técnico y de gestión de mi país aún no ha alcanzado la altura ideal. El precio de los productos nacionales de aleaciones de titanio es menos competitivo en el mercado internacional, lo que no favorece una mayor expansión de su uso.

En la actualidad, las principales áreas de aplicación de las aleaciones de titanio siguen siendo los sectores industriales militares, como el aeroespacial. El desarrollo de nuevas áreas de aplicación, como automóviles, trenes, ferrocarriles de alta velocidad, y las perspectivas de aplicación de los campos civiles de uso común en la vida diaria siguen siendo muy amplias. Además, la sustitución de elementos de aleación costosos por elementos de menor precio y la reducción del coste de las piezas de aleación de titanio mediante enfoques de proceso son temas importantes en la futura investigación de las aleaciones de titanio. Una vez que las aleaciones de titanio utilizadas en aplicaciones de alta gama se fabriquen a bajo coste en el futuro, las aleaciones de titanio se aplicarán a diversos campos.