Universidad Nacional de La PlataFacultad de Ingeniería

Departamento de Aeronáutica

Materiales AeronáuticosAleaciones no ferrosas:

El aluminio aleado y el titanio aleado, sus aplicaciones en aeronáutica

Introducción:

Este apunte tiene como fin afianzar algunos conceptos (designaciones, tratamientos térmicos, usos, etc) del aluminio aleado y del titanio aleado. Se profundizará, particularmente, en aquellas aleaciones aplicables en la industria aeronáutica y espacial.

Características físicas del aluminio puro y algunos conceptos sobre sus aleaciones

El mineral del que se extrae el aluminio, casi exclusivamente, se llama bauxita. Las bauxitas son productos de erosión, ricos en aluminio (del 20% al 30% en masa), procedentes de rocas madres silicatoalumínicas. Mediante el proceso Bayer, inventado por Karl Bayer en 1889, se produce alúmina a partir de la bauxita. El proceso, básicamente, comienza con un lavado de la bauxita molida con una solución de soda cáustica a alta presión y temperatura. Los minerales de aluminio se disuelven mientras que los otros componentes de la bauxita, principalmente sílice, óxidos de hierro y titanio permanecen sólidos y se depositan en el fondo de un decantador de donde son retirados. A continuación se recristaliza el hidróxido de aluminio de la solución y se calcina a más de 900 °C para producir una alúmina (óxido de aluminio, Al2O3) de alta calidad.El óxido de aluminio se disuelve en un baño fundido de criolita (Na3AlF6) y se electroliza en una celda electrolítica usando ánodos y cátodo de carbono. Se realiza de esta manera, ya que la alúmina proveniente del proceso Bayer tiene un punto de fusión extremadamente alto (por encima de los 2.000 °C), muy caro y difícil de alcanzar en la práctica industrial. La mezcla con la criolita da una mezcla eutéctica, que logra bajar el punto de fusión a alrededor de los 900 °C. Por esta razón el consumo energético que se utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener, ya que es necesario gastar entre 17 y 20 kWh por cada kilo de metal de aluminio. De estos baños se obtiene aluminio metálico en estado líquido con una pureza entre un 99,5 y un 99,9%, quedando trazas de hierro y silicio como impurezas principales.

El aluminio puro (99% de pureza o mayor) en estado metálico presenta una superficie relativamente lustrosa y de color plateado. Su estructura cristalina es cúbicas caras centradas, de aquí la abundancia de planos de deslizamiento que lo hacen muy maleable y dúctil.Este material es un buen conductor de la electricidad y del calor, provee una buena superficie reflectora, es resistente a la corrosión y es liviano si se lo compara con los materiales ferrosos (como el acero) o con la mayoría de los materiales estructurales. Como punto de comparación la densidad es, aproximadamente, de 2,7 gr/cm3 mientras que la del hierro es de 7,8 gr/cm3, es decir 2,9 veces más liviano que éste último.La relativamente baja resistencia a la tracción del aluminio puro es una de sus mayores desventajas, ésta es del orden de los 6,32 kg/mm2 y puede ser mejorada (al doble) por medio de endurecimiento mecánico que es la única manera de mejorar las características mecánicas ya que no responde a los tratamientos térmicos. Este nivel de resistencia es muy bajo para las aplicaciones en ingeniería.

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La metodología utilizada para mejorar la resistencia a la tracción (particularmente) del aluminio, incrementarla bastante sin reducir demasiado otras propiedades deseables tales como la ductilidad y el peso, es aleándolo con uno o más metales o metaloides.Las aleaciones que logran mayor resistencia que el aluminio puro se dividen en dos clases:

a) Aquellas que responden tanto al endurecimiento por trabajo en frío y tratamientos térmicos o a ambos por separado.

b) aquellas que pueden ser endurecidos por trabajo en frío (deformación a temperatura ambiente).

Designación de las aleaciones de aluminio

Los productos de aluminio puro y sus aleaciones (todos aquellos productos no fundidos) poseen designación de acuerdo con la norma H35.1 de la American Nacional Standard Institute (ANSI), mientras que las aleaciones fundidas se codifican de acuerdo con la norma ASTM B275, ambas emitidas por EEUU. Estas designaciones son internacionales aunque hay países que poseen su propia designación.

En la tabla Nº 1 puede observarse las designaciones de las aleaciones de aluminio (series) agrupados por el principal elemento aleante.

Principal Aleante Designación Tratamiento térmicoAluminio Puro 1xxx No tratableCobre 2xxx TratableManganeso 3xxx No tratableSilicio 4xxx No tratableMagnesio 5xxx No tratableMagnesio y Silicio 6xxx TratableZinc 7xxx TratableOtras aleaciones 8xxx --------------------------

-Serie reservada 9xxx --------------------------

-

En la tabla anterior el primer dígito indica el grupo de la aleación (principal aleante) y, se ha reservado el 1, para el aluminio de 99% de pureza. Para este caso particular los dos últimos dígitos indican el mínimo porcentaje de aluminio en el orden de los centésimos. Es decir estos son los dos números a la derecha de la coma del mínimo porcentaje de aluminio expresado en enteros y centésimos (por ejemplo 1030 indica 99,30 de aluminio puro). El segundo dígito indica las modificaciones al límite de impurezas. Si es cero (0) indica que no tiene especial control. Del 1 al 9 indican especiales controles de las impurezas. Las principales impurezas son el hierro y el silicio.

Para el caso de las aleaciones de aluminio, el segundo dígito es un número que va del 0 al 9, si es cero se trata de la aleación original. Los números del 1 al 9 están asignados consecutivamente indicando las modificaciones de la aleación.Las últimas dos cifras no tienen especial significado pero sirven para identificar las diferencias de las aleaciones de aluminio en el grupo.

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Si en la designación vista apareciera una equis (X), esto indicaría que se trata de una aleación experimental.

Aportes de los elementos aleantes

Como se menciono los elementos aleantes del aluminio proporcionan ciertas ventajas y desventajas. A continuación se enumeran estas.

Cromo (Cr). Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg.

Cobre (Cu). Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión.

Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica.

Magnesio (Mg). Produce alta resistencia tras el conformado en frío.

Manganeso (Mn). Incrementa las propiedades mecánicas y pmejora la calidad de embutición (aleación 3XXX son utilizadas en productos para almacenar líquidos, etc)

Silicio (Si). Combinado con magnesio (Mg), logra mayor resistencia mecánica.

Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica.

Zinc (Zn). Aumenta la resistencia a la corrosión.

Las principales series utilizadas en la industria aeroespacial son la 2XXX, 6XXX y 7XXX aunque suelen ser utilizadas algunas otras como la serie 5XXX.

Veamos algunas características de estas series:

Serie 2XXX

El cobre es, como se dijo, el principal aleante y se encuentra en la aleación con valores comprendidos entre el 1,9 y el 6,8%. Para obtener mejores propiedades mecánicas estas aleaciones son bonificadas (tratamiento térmico de solución y templado) logrando propiedades que exceden a aquellas de los llamados aceros de bajo carbono o dulces. En muchas ocasiones, y para aumentar aún más las propiedades mecánicas, se realiza un envejecimiento artificial o endurecimiento por precipitación para incrementarlas perdiendo elongación y resistencia a la corrosión dando lugar a la corrosión intercristalina.Para ejemplificar esto haremos referencia a una de las aleaciones más utilizadas en aeronáutica, la aleación 2024, la cual cuando es tratada como se mencionó anteriormente (luego del endurecimiento por precipitación) genera corrosión intergranular debido a que las partículas que precipitan no son de cobre puro sino de una aleación de cobre aluminio (Cu Al2). Estas partículas se forman en los límites de grano dando lugar a la corrosión íntergranular. Esto significa que en la vecindad inmediata de estas partículas el metal circundante esté agotado de cobre o tenga menos de este material que en el resto de la aleación. Las partículas de CuAl2 actúan como si fueran catodos (polo negativo de una batería). Las áreas circundantes de aluminio más puro se comportan como ánodos (los polos positivos). Lo único que se requiere para descargar la acción del flujo eléctrico es un electrolito (como el agua o la humedad), a partir de la existencia de un medio adecuado se genera una ¨pila eléctrica¨ dentro de la aleación, cuando esto ocurre las zonas

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de aluminio (ánodo) más puro son corroídas (corrosión galvánica). Este proceso continúa a lo largo del tamaño de grano llegando a producir la falla del material.Para evitar la corrosión intergranular se procede a utilizar las buenas propiedades de resistencia a la corrosión del aluminio puro o de la aleación de la serie 6000 (Mg-Si). Con estos materiales se realiza un revestimiento muy delgado sobre la superficie de la aleación base (2024) con el fin de protegerla de un potencial electrolito como, por ejemplo, la humedad. A este proceso se lo denomina ¨cladding¨.A partir de la característica de alta resistencia a la corrosión que posee el aluminio puro, se ha desarrollado el proceso mencionado de fabricación que permite producir una chapa conformada por tres superficies, una interna de aleación de aluminio y dos externas (inferior y superior) de aluminio puro las cuales están integradas al aluminio aleado.Este producto se obtiene vertiendo el aluminio aleado, en forma fluida, en un molde que posee chapas delgadas de aluminio puro, luego es rolado y convertido en chapas.Los espesores de recubrimiento de aluminio puro que se logran mediante este proceso son del orden del 5,5 % del espesor total de la chapa obtenida, vale mencionar que los espesores del recubrimiento son muy uniformes.El producto, después de ser rolado, es tratado térmicamente durante unos 10 o 15 minutos, durante este tiempo la aleación y la cobertura de aluminio puro se convierten en una solución sólida. A este producto se lo llama ALCLAD (AL: aluminio puro, CLAD: recubrimiento).

Se han realizados diferentes experiencias con el objeto de evaluar las características de una aleación de aluminio con ALCLAD, una de ellas consistió en, primero, someter a probetas para ensayos de tracción a un ensayo de niebla salina durante un periodo de 18 meses; transcurrido ese tiempo se las ensayo a tracción determinándose que no hubo perdida de la resistencia a la tracción ni de elongación porcentual respecto a las probetas no sometidas a niebla salina.

Las aleaciones de aluminio de las series 2XXX, como el 2024T3 ALCLAD, 2224, 2324 y 2524 (ambas versiones modificadas de la 2224) son utilizadas muy comúnmente en secciones o componentes de aeronaves sometidas a niveles elevados de tensión, cargas alternas, entre otros. Suelen ser utilizadas en componentes estructurales como el recubrimiento de alas (intrados) y fuselajes (como los de aeronaves de aviación general y de transporte). Las aleaciones de esta serie tienen las particularidad de tener una baja velocidad de propagación de fisuras (crack growth) que la lleva a tener mejor comportamiento o desempeño a fatiga que las aleaciones de aluminio de la serie 7XXX. Se conforman como chapas, perfiles extrudados, piezas forjadas, entre otros.

Serie 7XXX

El zinc es el elemento aleante más importante y cuando se le agrega una pequeña cantidad de magnesio resulta tratable térmicamente lográndose muy alta resistencia mecánica ya que se tiene el mayor potencial de endurecimiento por precipitación (de las aleaciones de aluminio). A estas aleaciones suelen agregárseles cobre y cromo en pequeñas cantidades con el fin de mejorar sus características mecánicas, aunque el cobre a menudo se añade para mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión (con el inconveniente de reducir la capacidad de soldadura). Además de utilizar cobre para minimizar la corrosión bajo tensión se utiliza la relación entre el Zn/Mg, un aumento de esta relación disminuye la resistencia a la corrosión bajo tensión, este fenómeno ha sido el principal causante en la restricción del uso de estas aleaciones.A modo de ejemplificar, la aleación más conocida y utilizada en aeronáutica, es la 7075. Esta tiene alta resistencia mecánica, buenas propiedades mecánicas a la fatiga y es utilizada en elementos estructurales sometidos a altas solicitaciones como estructuras de fuselaje, recubrimientos de alas, etc. Se les realiza tratamientos térmicos de solución y envejecido

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artificialmente (T6) para mejorara las propiedades mecánicas. Esta aleación tiene la particularidad de seguir precipitando naturalmente, mejorando las propiedades mecánicas en el tiempo.

En el cuadro siguiente puede observarse la composición química de las aleaciones comúnmente utilizadas en la industria aeronáutica.

Serie 6XXX

Las aleaciones de esta serie están compuestas por silicio y magnesio en proporciones tales de obtener silicato de magnesio, lo cual lo hace tratable térmicamente.Las resistencias mecánicas se mejoran con los tratamientos térmicos. Una de las aleaciones de esta serie utilizada en aeronáutica (particularmente en la experimental) es la 6061 a la cual se le realiza, normalmente, un tratamiento térmico de solución y envejecido natural (T4) y hasta un tratamiento térmico de solución con envejecimiento artificial (T6). Se logran resistencias mecánicas menores comparadas con las que se podrían obtener con las aleaciones de las series 2XXX o 7XXX, posee buena resistencia a la corrosión, buena formabilidad y buena capacidad para ser mecanizada. La aleación 6016 T6 es utilizada en estructuras tubulares en la mayoría de las aeronaves experimentales como ultralivianos y aeronaves semejantes.

Serie 5XXX

En esta aleación el elemento dominante es el magnesio que es uno de los constituyentes más ampliamente usado y efectivos en los llamados ¨duroaluminio¨. Cuando la aleación posee grandes cantidades de otros elementos aleantes el efecto del magnesio es de moderador a alta resistencia. Esta es una aleación no tratable térmicamente.El magnesio es considerado más efectivo que el manganeso cuando se pretende aumentar la dureza del material, como ejemplo 0,8% de magnesio equivalen a 1,25% de manganeso, además el magnesio puede ser utilizado en mayores proporciones. Esta serie admite endurecimiento por deformación lográndose buenas resistencias mecánicas. Tiene buena resistencia a la corrosión cuando es sometido a la atmósfera y posee buena característica de soldabilidad. Como desventaja podemos mencionar su susceptibilidad a la corrosión bajo tensión.

Breve descripción de los principales tratamientos térmicos utilizados en las aleaciones aplicadas en la industria aeronáutica

El templado son procesos térmicos que aumentan la resistencia de ciertas aleaciones de aluminio. Hay dos proceso de temple que son el tratamiento térmico de solución y el templado con posterior envejecimiento para aquellas aleaciones tratables térmicamente.

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La designación de los temples se utiliza para todas las formas, elaborados o fundiciones, excepto los lingotes. Los temples básicos son designados por la letra O (recristalizacion, temple para materiales forjados), W, H y T; las subdivisiones del temple básico son indicadas por uno o más númerosEl sistema consiste en agregarle, a continuación de la aleación, la letra correspondiente seguida de una, dos o tres cifras.Los temples más comúnmente utilizados en aeronáutica son los T (aplicables a las aleaciones tratables térmicamente estables, TT), mientras que las H son aplicables a aquellas aleaciones no TT de poco uso en aeronáutica.

Como fue mencionado anteriormente, el bonificado de las aleaciones de aluminio consta de dos etapas, pudiendo tener una tercera que es la maduración o envejecimiento. Las dos etapas son el tratamiento térmico de solución (W) o solubilización y el templado. La primera consiste en calentar a los componentes a temperaturas de 430 y 550º C, manteniéndolas para diluir los aleantes en el aluminio, y al enfriar la aleación se obtienen temples inestables. Son aplicables a aquellas aleaciones que envejecen espontáneamente a temperatura ambiente luego de ser realizado este tratamiento (por ejemplo serie 7000). La segunda etapa es el templado que se realiza llevando a la aleación hasta una temperatura superior a la ambiente pero inferior a la de solubilización y luego enfriando bruscamente el material hasta temperatura ambiente, esto permite lograr temples más estables y se aplican a productos tratables térmicamente con o sin endurecimiento suplementario por deformación. Para aumentar aun más las propiedades, a partir de temples estables, se suele realizar endurecimiento por precipitado o envejecido que consisten en la precipitación de pequeñas partículas de material de la aleación, ya sea a temperatura ambiente (maduración natural) o a temperatura controlada (maduración artificial). Estos tratamientos se indican con la letra T seguida de uno o dos dígitos (T1 a T10), estos dígitos están relacionados por el tipo de envejecimiento o maduración.

Veamos un ejemplo para una aleación de aluminio de la serie 6000 (perfil) extrudado al que se le aplica un temple T5. Este se consigue mediante envejecimiento de los perfiles que pasan a los hornos de maduración los cuales mantienen una temperatura durante un tiempo dado, normalmente 185 °C durante 240 minutos para las aleaciones de la familia 6060. De esta forma se consigue la precipitación del silicio con el magnesio en forma de siliciuro de magnesio (SiMg2) dentro de las dentritas de aluminio, produciéndose así el temple T5 del material. Posteriormente el temple es medido con durómetros.

Los tratamientos térmicos más comúnmente utilizados en las series 2000, 6000 y 7000 para uso aeronáutico son los siguientes:

T3: Tratamiento térmico de solución, temple, trabajado en frío y envejecimiento natural. Con el tratamiento de estirado se llevan al límite las propiedades mecánicas.T6: Tratamiento térmico de solución, temple y luego envejecido artificialmente.

Se pueden añadir uno o más dígitos desde T1 a T9 para indicar variaciones del temple, indicamos a continuación las más aplicadas en aeronáutica.

T351 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones. La aleación de aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. Se aplica a chapas, varillas y barras laminadas o terminadas en frío, forjados a estampa o en prensa de productos anulares y anillos laminados sin soldadura.

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T3510 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y envejecido naturalmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. Se aplica a varillas, barras, perfiles y tubos extruidos y tubos estirados.

T3511 Como el T3510, pero también se refiere a productos que podrían recibir un leve enderezamiento tras el estirado para cumplir con las tolerancias estándar.

T352 Se aplica a productos tratados por compresión para aliviar tensiones después del tratamiento térmico de solución o después de ser enfriados desde un proceso de trabajo en caliente para producir una deformación remanente del 1 al 5%.

T651 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y luego envejecido artificialmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado.

T6510 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y luego envejecido artificialmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado.

Aleaciones no tratables térmicamente

El Al-comercial, Al-Mn y el Al-Mg sólo se pueden endurecer por deformación en frío (letra H), seguida o no de un recocido parcial o estabilización (ablandamiento) para minimizar las tensiones productos del estiramiento. Los estados de deformación en frío se indican por:

H1x endurecido por estiramiento sin TT como el recocidoH2x endurecido por estiramiento y luego parcialmente recocidoH3x endurecido por estiramiento, luego estabilizado (a una temperatura relativamente baja respecto de la de recocido). Con esto se logran menores resistencias mecánicas y se gana ductilidad.

Un segundo dígito (x) indica el grado final de endurecimiento en general. El recocido (0) sería el grado más bajo de dureza mientras que (8) el totalmente duro. Entre estos extremos se tiene lo siguiente:

2 – 1/4 duro4 – ½ duro6 – ¾ duro8 –totalmente duro

Una chapa, por ejemplo, de aluminio de la serie 5000 (Al-Mg) se definiría como 5052 H32, se tendrá un material endurecido por deformación, estabilizado hasta lograr una dureza final ¼ duro, esta dureza se relaciona con la tensión máxima del material.

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Características físicas del titanio puro y algunos conceptos sobre sus aleaciones

Información general

El titanio es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre y es relativamente costoso obtenerlo a partir de los minerales que lo contienen, los principales yacimientos se encuentran en Rusia.

Actualmente la extracción de titanio a partir de su mena (se llama así al mineral del que se puede extraer, en este caso un metal, porque lo contiene en cantidad suficiente para poder aprovecharlo) es la primera barrera económica para la introducción del titanio en mercados no vinculados a la industria aeronáutica y espacial. La alta reactividad del titanio hace que nunca se presente en estado elemental en la naturaleza sino que se encuentre en forma de óxidos principalmente como rutilo (TiO2 óxido de titanio) y la ilmenita (FeTiO3), estos dos óxidos son las menas desde la que parte el proceso de extracción de titanio elemental. La elevada estabilidad de los óxidos de titanio limita las alternativas para reducir el titanio por lo que actualmente el proceso Kroll es el proceso preferido para producirlo, a pesar de su alto costo económico.El titanio elemental obtenido por este proceso partiendo del mineral rutilo (TiO2) o ilmenita (FeTiO3), relativamente impuros, es poroso y con apariencia de esponja, por lo que se le denomina ‘titanio esponja’. La obtención de titanio mediante el proceso Kroll se realiza en las siguientes etapas:

— Cloración del óxido para producir TiCl4 (tetracloruro de titanio).— Destilación del TiCl4 para purificarlo.— Reducción del TiCl4 con Mg (reacción del TiCl4 con magnesio fundido en atmósfera inerte)

para producir titanio metálico.— Purificación del titanio metálico (esponja) para

eliminar los productos secundarios.— Troceado de la esponja de titanio para reducir

su tamaño.— Fundido de la esponja metálica obtenida en horno voltaico al vacío para obtener lingotes de

titanio puro.

Si el mineral de partida es ilmenita (FeTiO3), éste se debe tratar previamente para extraer el hierro a partir de electro fusión con carbono obteniendo TiO2 (rutilo). En una primera etapa se realiza la cloración del TiO2 en un lecho fluidizado a 1.000 °C que contiene carbono (coque), y donde quedan algunas impurezas de la mena. El cloro se introduce en forma gaseosa por la parte inferior del lecho, produciendo cloruros de metales (MClX), CO2, y TiCl4 gaseoso.

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El titanio puro tiene una densidad de aproximadamente 4.4g/cc mientras que en el titanio aleado no varía significativamente el valor de la densidad respecto al puro. Una vez obtenido el metal de acuerdo con el proceso mencionado anteriormente y, al analizar su estructura cristalina, se observa una estructura cristalina hexagonal compacta, llamada alfa a temperatura ambiente. Esta estructura se transforma a beta, cubica centrada en el cuerpo, al someter al titanio a 882 ºC. El titanio alfa es dúctil y maleable lo cual permiten fabricar láminas delgadas.

En general el titanio y sus aleaciones tienen una excelente resistencia a la corrosión hasta aproximadamente los 540ºC, además es un material con alta afinidad con gases como el hidrógeno, nitrógeno y oxígeno los cuales forman soluciones sólidas intersticiales de gran resistencia mejorando de manera importante las características mecánicas del material. Cuando la cantidad de estos gases absorbidos excede los límites especificados, ocurre la fragilidad del titanio, reduciendo la ductilidad y la resistencia al impacto, condición no adecuada para usos estructurales por la posibilidad de propagación de discontinuidades. Es un material paramagnético como el aluminio y a diferencia de éste las propiedades de conductividad térmica y eléctrica no son buenas es por ello que se lo utiliza para aislar piezas de componentes satelitales entre otras aplicaciones. Otras características de mencionar es su elevado punto de fusión del orden de los 1670ºC y que tanto puro como aleado puede ser soldado mediante técnicas de atmósfera controlada.

Del punto de vista mecánico el titanio puro (alfa) no tiene buenas características mecánicas con lo cual no se lo utiliza en estructuras aeronáuticas o espaciales, un valor típico de resistencia a la tracción (tensión última) es de 345 MPa y una tensión 0.2 de 279 MPa. Si se lo compara con una aleación de aluminio 7075 T6 que posee una tensión máxima y una 0.2 que oscilan entre 462 a 538 MPa y 372-462 MPa respectivamente, podemos concluir que está por debajo en cuanto a estas resistencias y se aproxima más a una aleación 6061 T6. Esto nos da una pauta que al alearlo con otros metales y tratarlo térmicamente se le puede obtener resistencias muy superiores que la mejor aleación de aluminio. Como ventaja podemos mencionar la buena resistencia a la corrosión es por ello que se lo utiliza en tubería para procesos químicos, válvulas y tanques, paredes cortafuegos (o parallamas) de aeronaves, tubos de escape, entre otras aplicaciones.

Un parámetro importante a analizar es la relación existente entre la resistencia a la tracción (por ejemplo) respecto a la densidad del material. Esta es una variable más interesante de aplicar al momento de comparar materiales, a este parámetro se lo denomina tensión específica 0,2 (en el caso de usar la tensión de fluencia o la 0,2). Tomando el ejemplo anterior podemos comparar los siguientes resultados.

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Densidad aparente (referida al agua)

Tensión 0,2 Mpa

Tensión 0,2 específica Mpa

6061 T6 2,70 275 101,9

7075 T6 2,81 372 132,4Titanio

alfa4,4 279 63,4

De la tabla surge la conclusión que en aplicaciones aeronáuticas y espaciales el titanio puro no se aplica, una aleación como la 6061 T6 es más apropiada.

Aleaciones de titanio

El agregar elementos de aleación al titanio cambia la temperatura de transformación de alfa a beta. Es práctica común referirse a los elementos de aleación como estabilizadores de alfa o beta. Un estabilizador alfa significa que al agregarse el soluto o elemento aleante, la temperatura de transformación alfa a beta es elevada; asimismo, un estabilizador beta disminuye la temperatura de transformación. El aluminio es un estabilizador alfa. El cromo, el molibdeno, el vanadio, el magnesio y el hierro son importantes estabilizadores beta. Los sistemas de aleación Ti-Mo y Ti-V muestran completa solubilidad sólida, formando la solución sólida beta sobre todo el intervalo. El campo de fase alfa es severamente restringido, con su máxima extensión de 1.8 % de Mo y 3.5 % de V. Las relativas cantidades de estabilizadores alfa y beta en una aleación, además del tratamiento térmico, determinan si su microestructura es predominantemente alfa unifásica, una mezcla de alfa y beta, o la fase única beta sobre el intervalo útil de la temperatura.

Las aleaciones alfa contienen normalmente un 5% de aluminio y 2.5% de estaño, ambos elementos son estabilizadores de la fase α y endurecedores por solución sólida. Estas aleaciones tienen una resistencia a la corrosión y a la oxidación bastante elevada, manteniendo su resistencia a elevadas temperaturas, resultando con una soldabilidad conveniente y normalmente poseen aceptable ductilidad y conformabilidad a pesar de su estructura hexagonal. Las aleaciones alfa se tratan, mediante recocido, a elevadas temperaturas en la zona β, enfriándose posteriormente (lenta o rápidamente dependiendo el tipo de grano que se quiera obtener). Este tipo de aleaciones no se utilizan en la fabricación de piezas estructurales de aeronaves.

Las aleaciones β como se mencionó se obtienen adicionando vanadio o de molibdeno producen una estructura enteramente beta a temperatura ambiente, ninguna de las aleaciones beta están aleadas hasta los extremos mencionados. En lugar de esto, se combinan los estabilizadores, β, de modo que el enfriamiento rápido produce una estructura β metaestable. Estas aleaciones, por lo tanto, pueden ser tratadas térmicamente, respondiendo a procesos de endurecimiento por precipitación con los que se consigue aumentar la resistencia. Sus aplicaciones incluyen remaches de alta resistencia, largueros y otros elementos estructurales para uso aeroespacial.

Las aleaciones α + β pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación se solubiliza cerca de la temperatura de transformación en fase β como se observa en la siguiente figura, lo que permite que todavía quede cierta cantidad de fase α para evitar el crecimiento de grano.

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Después, la aleación se enfría rápidamente para formar una solución sólida sobresaturada metaestable  β' o martensita de titanio α'. Posteriormente, la aleación es envejecida o revenida alrededor de 500°C. Durante el envejecimiento, las fases α  y β anteriores al enfriamiento, y los precipitados de las fases β' o α', aumentan considerablemente la resistencia de la aleación.El tratamiento termoquímico de nitruración aleaciones α+β (ejemplo titanio Grado 5, aleación alfa-beta, de amplia aplicación en aeronáutica) produce una capa de revestimiento lisa y homogénea, con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado. La capa de nitruro de titanio (Ti2N) formada tiene un espesor de 2-3 mm, en tres horas de tratamiento y está compuesta por pequeños granos de nitruros con diámetros del orden de los 50-100 nm. Las piezas a tratar se colocan en una cámara al vacío y son sometidas a una temperatura de 500 °C. Se inyecta nitrógeno, que en contacto con iones de titanio, reaccionan para formar nitruro de titanio, presentando al final del proceso un color dorado. Con esta técnica la dureza superficial puede aumentar hasta 35 HRC (Rockwell) (326 Brinell). A título de comparación una aleación de aluminio 6061 T6 posee una dureza de 95 Brinell.

Este tipo de tratamiento tiene gran utilidad en componentes de aeronaves, automóviles de competición: bielas, válvulas, etc.

En la imagen anterior puede observarse la primera y segunda etapa de álabes de un compresor axial de una turbina aeronáutica, el color dorado es producto del proceso de nitruración (tratamiento termoquímico). Las piezas nitruradas tienen una gran resistencia a la corrosión.

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Clasificación del titanio puro y sus aleaciones

Se clasifica bajo normas ASTM pero es muy común encontrar al titanio y sus aleaciones por su designación simbólica como lo vimos anteriormente Ti6Al4V, esta aleación según ASTM B 381-05 Standard specification for Titanium and Titanium Alloy Forgings (Titanio y aleaciones de Titanio para forja) sería un Grado 5.

El titanio comercialmente puro (CP grados 1 a 4) tiene una estructura alfa y contiene pequeñas cantidades de elementos “intersticiales” (nitrógeno, oxígeno, carbono) que ocupan los huecos en el cristal como se explicó anteriormente. Se diferencian entre sí por el contenido de oxígeno que aumenta del grado 1 al 4, confiriéndole una creciente resistencia mecánica. No se aplica en componentes de uso aeronáutico por su baja resistencia mecánica.

Las aleaciones de titanio, como vimos, se clasifican según su estructura en “aleaciones alfa” (grados 6,7,11), “aleaciones alfa-beta” (grado 5, 9) y “aleaciones beta”.Algunas están diseñadas para mejorar la resistencia a la corrosión (grados 7 y 11 las cuales contienen paladio) y otras para mejorar su resistencia mecánica por termoquímico (grado 5 contiene aluminio y vanadio).

Las aleaciones alfa-beta poseen resistencias mecánicas media a alta y la mayoría de ellas son fáciles de soldar. Estas aleaciones contiene suficientes elementos estabilizadores β para provocar que la fase β persista hasta la temperatura ambiente, y son más duras que las aleaciones α. La aleación típica α + β es la aleación titanio, 6% aluminio, 4% vanadio la cual se utiliza para fabricar discos y de compresores de turbinas, materiales forjados para estructuras de avión, trenes de aterrizaje, y piezas de láminas metálicas para estructuras de aeronaves.

Línea de montaje de SR 71 . El 85% del avión estaba fabricado con aleaciones de titanio

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SR 71 Blackbird

Las aleaciones beta también son tratables termicamente y son generalmente soldables. Alcanzan altas resistencias mecánicas y buena resistencia a la deformación hasta temperaturas intermedias.

El Titanio y sus aleaciones se pueden clasificar según su propósito en:

RESISTENTES A LA CORROSIÓNCP-1CP-2CP-3CP-4Ti-Pd Grado7 & 16Ti-3Al-2.5V Grado9 & 18Ti-Pd Grado 11 & 17Ti-0.3Mo-0.8Ni Grado 12Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4MoTi-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si

ALTA RESISTENCIA

Ti-6Al-4V Grado 5Ti-5Al-2.5Sn Grado 6Ti-2.5CuTi-6Al-7NbTi-4Al-4Mo-2SnTi-6Al-6V-2SnTi-10V-2Fe-3AlTi-15V-3Cr-3Sn-3AlTi-5.5Al-3Sn-3Zr-0.5Nb Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr Ti-8Al-1Mo-1VTi-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si

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Materiales Aeronáuticos Aleaciones no ferrosas: El aluminio aleado y el titanio aleado, sus aplicaciones en aeronáutica

RESISTENTES A ALTA TEMPERATURA

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2MoTi-6Al-2Sn-4Zr-6MoTi-11Sn-5Zr-2.5Al-1MoTi-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1NbTi-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb

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