¿Cuántas grados de aleaciones de titanio existen? La literatura da un número: más de 100. De esas, 40–50 se usan genuinamente en la industria, y solo una docena más o menos están en uso común. Con tantas aleaciones, memorizar solo las designaciones de grado nunca te llevará allí. Así que los metalúrgicos hicieron lo más fundamental posible — las clasificaron por microestructura.

La "microestructura" aquí se refiere a qué estructura cristalina domina realmente en una aleación de titanio a temperatura ambiente: la fase α hexagonal compacta, la fase β cúbica centrada en el cuerpo, o una mezcla de ambas. No subestime esta clasificación — lo que es básicamente la microestructura a temperatura ambiente determina si la aleación suelda bien, puede conformarse en frío, resiste altas temperaturas y cuánto puede llegar a ser su resistencia. Se podría decir que la microestructura es el carácter innato del titanio.

Hoy vamos a exponer las cuatro familias de aleaciones de titanio — α, casi α, α+β y β — de una sola vez. En la norma nacional china se utilizan respectivamente los prefijos TA, TC y TB (el titanio comercialmente puro y el tipo α usan TA; el tipo α+β usa TC; el tipo β usa TB), seguidos de un número de registro, como TA7, TC4 y TB2.

Dedica un minuto a recordar la lógica subyacente cubierta anteriormente. El titanio experimenta una transformación alotrópica a 882 °C: a alta temperatura es la fase β cúbica centrada en el cuerpo, y a baja temperatura la fase α hexagonal compacta. La adición de elementos aleantes cambia las esferas de influencia de estas dos fases:

• Elementos estabilizadores de α (aluminio, oxígeno, nitrógeno, etc.) expanden la α

campo de fase, haciendo que la microestructura a temperatura ambiente sea predominantemente α;

• Elementos estabilizadores de β (molibdeno, vanadio, niobio, hierro,

cromo, etc.)

amplían el campo de fase β; añade suficiente cantidad de ellos y la fase β puede retenerse

incluso a temperatura ambiente;

• Añade ambos, con la fase β representando el 10%–50%, y obtienes un

aleación bifásica α+β.

Así, ordenadas por contenido de fase β a temperatura ambiente de menor a mayor, las aleaciones de titanio se dividen naturalmente en cuatro escuelas: α (casi enteramente α) → casi α (β no superior al 10%) → α+β (β entre 10% y 50%) → β (completamente β a temperatura ambiente). Esta línea es esencialmente una línea de equivalente de molibdeno creciente de menor a mayor.

Y los temple de las fases α y β son mundos aparte: la fase α es hexagonal compacta con pocos sistemas de deslizamiento, lo que le confiere alta resistencia, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión y buena soldabilidad — pero es difícil de conformar en frío. La fase β es cúbica centrada en el cuerpo con muchos sistemas de deslizamiento, por lo que es blanda, tenaz, fácil de conformar en frío y puede reforzarse sustancialmente mediante tratamiento térmico. Cualquiera que sea la fase dominante, la aleación sigue su disposición.

Las aleaciones de titanio α contienen principalmente elementos estabilizadores de α, y en la condición estable a temperatura ambiente son esencialmente 100% fase α. Los representantes son el titanio comercialmente puro (TA0, TA1, TA2, TA3) y el TA7 (Ti-5Al-2.5Sn).

Palabras clave características de esta escuela: resistente a la corrosión, fácilmente soldable, buena trabajabilidad en caliente — pero no tratable térmicamente para fortalecimiento, relativamente baja en resistencia, y solo moderada en conformabilidad en frío.

Debido a que la microestructura es α monofásica con una composición uniforme y ninguna de las complicaciones que traen las transformaciones de fase, las aleaciones α tienen el mejor rendimiento de soldadura entre las aleaciones de titanio — el coeficiente de resistencia de una unión soldada puede acercarse al 100%. Precisamente porque es monofásica y no puede endurecerse mediante transformación de fase, su resistencia proviene principalmente de elementos intersticiales (oxígeno, nitrógeno) y del endurecimiento por solución sólida del aluminio y el estaño, por lo que su techo no es alto.

La literatura señala específicamente que las aleaciones α se utilizan principalmente en las industrias química, petroquímica y de procesos, donde la primera consideración no es la resistencia sino la resistencia a la corrosión y la deformabilidad. El titanio comercialmente puro (TA0–TA3) es, por lo tanto, la primera opción, al igual que las versiones mejoradas resistentes a la corrosión, como la TA9 con paladio (Ti-0.2Pd) y la TA10 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) con pequeñas adiciones de molibdeno y níquel — estas son el remedio específico para el ácido clorhídrico caliente, el ácido sulfúrico y otros ácidos fuertemente reductores, y son el material principal para reactores, intercambiadores de calor, tuberías y equipos de cloro-álcali.

En una frase: la escuela α no persigue la fuerza bruta; persigue "no oxidarse nunca, soldarse bien y rendir de forma estable toda la vida".

Las aleaciones de titanio casi α añaden pequeñas cantidades de elementos estabilizadores de β sobre una base α; en la microestructura recocida, la fase β o los compuestos intermetálicos generalmente no superan el 10 %. No desprecies ese menos del 10 % de β: permite que la aleación, conservando la resistencia a altas temperaturas y la soldabilidad de la escuela α, eleve un nivel más su resistencia a altas temperaturas y su resistencia a la fluencia.

Esta escuela existe casi por completo para las secciones calientes de los motores aeronáuticos. La literatura nombra tres representantes:

– TA11 (Ti-8Al-1Mo-1V): desarrollado en Estados

Unidos, destinado a servicio a alta temperatura. Pero su contenido de aluminio es tan

alto como 8%, lo que trae problemas de corrosión bajo tensión por sal caliente — es propenso a

agrietarse en entornos con sal a alta temperatura.

– TA15 (Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr): esta es la aleación rusa BT20

Es una "aleación similar" a la TA11, pero reduce hábilmente el aluminio y añade

circonio, preservando la resistencia al calor mientras mejora el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión por sal caliente. Es una aleación de titanio clásica de alta temperatura para servicio a largo plazo

behavior. It is a classic high-temperature titanium alloy for long-term service

a alrededor de 500 °C, utilizado extensamente en estructuras y motores de aeronaves

piezas portantes.

– TA13 (Ti-2.5Cu): la aleación británica IMI230, de

tipo "α + compuesto", reforzada por precipitación de Ti₂Cu — una de las pocas

aleaciones casi α que pueden reforzarse mediante tratamiento térmico.

La escuela casi-α también tiene un pilar contemporáneo: TA19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, designación internacional Ti-6242S). Con una matriz α más estaño, circonio, molibdeno y silicio en trazas, su temperatura de servicio a largo plazo puede alcanzar los 550 °C; la deformación por fluencia a 550 °C durante 100 horas puede mantenerse dentro del 0,1 %, mientras conserva la buena soldabilidad de la escuela α (el coeficiente de resistencia de la junta soldada por arco de argón puede alcanzar el 100 %). Hoy en día se utiliza en carcasas de compresores de alta presión, álabes y discos integrados de motores aeronáuticos, donde sustituye a las superaleaciones base níquel en motores nacionales y en estructuras relacionadas con el C919/C929, logrando reducciones de peso del 25 % al 30 % (según datos técnicos de Litai Metal y Kehui Titanium).

La filosofía de diseño de la escuela casi-α es muy clara: mantener la fase β en un mero toque (por debajo del 10%), conservar casi por completo la matriz α resistente a altas temperaturas, y utilizar elementos como estaño, circonio, molibdeno y silicio para el fortalecimiento por solución sólida y contra la fluencia a altas temperaturas. Es la solución óptima para "necesitar resistencia al calor, más soldabilidad, más un poco más de resistencia".

Las aleaciones de titanio α+β contienen una cantidad relativamente grande de elementos estabilizadores de β; a temperatura ambiente las fases α y β coexisten, con un contenido de β generalmente del 10%–50%. Esta es la escuela más importante y más utilizada entre las aleaciones de titanio.

Sus palabras clave características: resistencia media, tratable térmicamente para fortalecimiento, excelente rendimiento integral — pero soldabilidad relativamente pobre.

Debido a que existen dos fases, las aleaciones α+β pueden "ajustarse" en un amplio rango entre resistencia, plasticidad y tenacidad mediante el ajuste del tratamiento térmico (tratamiento de solución + envejecimiento / recocido dúplex) y la proporción de las dos fases — algo que las aleaciones α monofásicas no pueden hacer. En la Tabla 6-1 esta escuela tiene una alineación de lujo:

– TC1 (Ti-2Al-1.5Mn): estado recocido, bajo costo,

buena conformabilidad;

– TC4 (Ti-6Al-4V): estado recocido, la

estrella absoluta;

– TC6 (Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.35Si): doble recocido;

– TC10 (Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe): recocido

condición, mayor resistencia;

– TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si): recocido dúplex,

tipo resistente al calor.

Hay que decir algunas palabras más sobre el TC4: el Ti-6Al-4V fue desarrollado con éxito por Watertown Arsenal en los Estados Unidos en 1954 y se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial; sus productos representan entre el 55 % y el 65 % de la producción total de aleaciones de titanio, y puede producirse como piezas forjadas de aviación de gran tamaño de todo tipo. Tiene un rendimiento integral excelente, es el más investigado a fondo, lleva más tiempo en servicio y tiene la gama de aplicaciones más amplia: "medio siglo después de su nacimiento, aún conserva una vigorosa vitalidad".

También es un ciudadano internacional "onegrade travels the world", con un grado correspondiente en cada país:

• China: TC4

• Timet Division, EE. UU.: Ti-6Al-4V; Reactive Metals Inc., EE. UU.:

RMI 6Al-4V; correspondiente a ASTM Grado 5

• Reino Unido, IMI: IMI 318

• Rusia: BT6

• Japón, Sumitomo: ST-A140

• Francia: TA6V

• Alemania, Krupp: LT31

¿Por qué todo el mundo lo usa? El 6% de aluminio estabiliza la fase α y el 4% de vanadio estabiliza la fase β, dando una proporción bifásica que es justa — resistencia suficientemente alta (resistencia a la tracción en estado recocido ≥ 895 MPa), plasticidad suficientemente buena, resistencia a la corrosión, soldabilidad (aunque no tan buena como las aleaciones α), tratabilidad térmica y biocompatibilidad: prácticamente no tiene defectos. Es el "erudito número uno en todas las materias" de las aleaciones de titanio.

Aun así, el libro de texto también señala el punto débil de la escuela α+β: soldabilidad relativamente pobre. Debido a que bajo el rápido calentamiento y enfriamiento de la soldadura, la fase β en la microestructura bifásica sufre una transformación martensítica, haciendo que la unión sea propensa a la fragilización y pérdida de plasticidad. Por esta razón, las piezas soldadas críticas a menudo prefieren aleaciones α / casi α, o requieren un tratamiento térmico dedicado posterior a la soldadura.

Las aleaciones de titanio β contienen suficientes elementos estabilizadores de β como para que, a una velocidad de enfriamiento adecuada, la microestructura a temperatura ambiente pueda ser completamente fase β. El libro de texto las divide además en dos categorías: aleaciones de titanio β tratables térmicamente (β metaestable) y aleaciones de titanio β térmicamente estables.

Esta escuela tiene el carácter más "dividido" y más notable:

Después del temple, las aleaciones β metaestables son una fase β única y blanda a temperatura ambiente, con excelente plasticidad de procesamiento; la chapa puede conformarse en frío, doblarse en frío y embutirse en frío de manera muy similar a las aleaciones de aluminio, y el radio de doblado puede acercarse a 0,5 veces el espesor de la chapa (la α+β TC4 normalmente necesita 3–4 veces el espesor de la chapa y aún tiende a agrietarse). Para piezas de chapa de formas complejas, resortes y sujetadores, esta es una noticia tremendamente buena.

Después del conformado, el tratamiento de envejecimiento permite que la fase α nanométrica precipite de forma dispersa desde la matriz β, y la resistencia puede alcanzar una resistencia a la tracción a temperatura ambiente de hasta 1,300–1,400 MPa — la más alta entre las cuatro escuelas.

El representante en la Tabla 6-1 del libro de texto es TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al), cuya condición está marcada como "templado / templado y envejecido" — el modelo mismo de "primero darle forma blanda, luego endurecerlo mediante envejecimiento".

Las aplicaciones clásicas de la escuela β son resortes y sujetadores. Tomemos el famoso Beta Calloy (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Grado 19 de EE. UU.): desarrollado en la década de 1960 para reemplazar el Ti-13V-11Cr-3Al, difícil de procesar, es extremadamente blando en la condición de tratamiento de solución y puede enrollarse en frío hasta darle forma; después del envejecimiento, su resistencia a la tracción puede alcanzar 1.100–1.200 MPa. Con un peso entre un 40 % y un 50 % menor que los resortes de acero y una mayor densidad de almacenamiento de energía, se utiliza ampliamente en resortes de tren de aterrizaje de aeronaves, resortes de válvulas de alto rendimiento y componentes de alta resistencia y resistentes a la corrosión para pozos de petróleo y gas (cumpliendo con los requisitos de NACE MR0175 para entornos con H₂S amargo). La NASA incluso verificó, en una misión de retorno de muestras de Marte, que los resortes Beta C permanecieron fiables después de 3.000 ciclos a una temperatura baja del espacio profundo de −135 °C (según informes técnicos de la NASA y datos de Titanium Industries).

El precio que paga la escuela β: muchos elementos de aleación (molibdeno, vanadio y cromo son todos caros), densidad relativamente alta, costo elevado y sensibilidad al tratamiento térmico. Por lo tanto, se utiliza donde "el rendimiento vale la pena pagar por él".

Una vez que comprendas esta tabla, habrás captado los "primeros principios" de la selección de aleaciones de titanio: para resistencia a la corrosión y soldabilidad elige α; para resistencia a altas temperaturas elige near-α; para rendimiento integral elige α+β (con TC4 como opción segura por defecto); para conformabilidad en frío más resistencia ultraalta elige β.

Desde aquel calor del Ti-6Al-4V en el Arsenal de Watertown en 1954 hasta las aleaciones de βtitanio de clase 1.400 MPa diseñadas por IA en la actualidad, lo que cambia son las cifras de resistencia y los procesos de fabricación — lo que no cambia es esta lógica subyacente de clasificación por microestructura. Entre las cuatro escuelas no hay alta ni baja, ni noble ni plebeya; solo hay "usarla en el lugar correcto".