En 1948, la empresa estadounidense DuPont inició la producción masiva de titanio esponjoso mediante el proceso del magnesio, marcando el inicio de la producción industrializada de titanio.
Las aleaciones de titanio, con su alta resistencia específica, su excelente resistencia a la corrosión y su superior resistencia al calor, se utilizan ahora ampliamente en diversos sectores.
Las aleaciones de titanio se utilizan en la industria aeronáutica desde hace más de medio siglo; en el sector de la electrónica de consumo, marcas como Huawei, Apple, Xiaomi y Honor han incorporado este material en muchos de sus modelos de smartphone, y se espera que cada vez más fabricantes de electrónica adopten aleaciones de titanio. Pero, ¿qué hace que titanio aleaciones tan universalmente favorecidas?
1. Alta resistencia específica:
1,3 veces el de las aleaciones de aluminio, 1,6 veces el de las aleaciones de magnesio y 3,5 veces el del acero inoxidable, lo que lo convierte en el campeón entre los aceros inoxidables. materiales metálicos.
2. Alta resistencia térmica:
Puede funcionar a largo plazo a temperaturas varios cientos de grados superiores a las de las aleaciones de aluminio, concretamente entre 450-500°C.
3. Excelente resistencia a la corrosión:
Resiste bien los ácidos, los álcalis y la corrosión atmosférica, y es especialmente resistente a las picaduras y a la corrosión bajo tensión.
4. Buen rendimiento a bajas temperaturas:
Ciertas aleaciones de titanio, como la TA7 de bajo contenido intersticial, conservan cierta plasticidad incluso a -253°C.
5. 5. Alta reactividad química:
A altas temperaturas, el titanio es muy reactivo y se combina fácilmente con gases como el hidrógeno y el oxígeno del aire, creando una capa endurecida.
6. Baja conductividad térmica y módulo elástico:
Su conductividad térmica es aproximadamente la cuarta parte de la del níquel, la quinta parte de la del hierro y la decimocuarta parte de la del aluminio. La conductividad térmica de diversas aleaciones de titanio es aproximadamente 50% inferior a la del titanio puro. El módulo elástico de las aleaciones de titanio es aproximadamente la mitad del del acero.
Las aleaciones de titanio pueden clasificarse en: aleaciones resistentes al calor, aleaciones de alta resistencia, aleaciones resistentes a la corrosión (como titanio-molibdeno, titanio-paladio), aleaciones de baja temperatura y aleaciones para usos especiales (como materiales de almacenamiento de hidrógeno de titanio-hierro, aleaciones con memoria de forma de titanio-níquel).
A pesar de la relativamente corta historia de su aplicación, sus extraordinarias propiedades han valido al titanio y sus aleaciones varios títulos prestigiosos, el primero de los cuales es "el metal del espacio".
Su peso ligero, su elevada resistencia específica y su resistencia a altas temperaturas lo hacen especialmente adecuado para la fabricación de aviones y diversas naves espaciales.
Aproximadamente tres cuartas partes de la producción mundial de titanio y sus aleaciones se utilizan en la industria aeroespacial, y muchos componentes fabricados originalmente con aleaciones de aluminio se sustituyen ahora por aleaciones de titanio.
Las aleaciones de titanio se utilizan principalmente en la fabricación de componentes de aviones y motores, como álabes de ventilador de titanio forjado, discos y álabes de compresor, cubiertas de motor, sistemas de escape y armazones estructurales como los tabiques de los largueros de los aviones.
Las naves espaciales aprovechan la alta resistencia específica, la resistencia a la corrosión y el rendimiento a bajas temperaturas de las aleaciones de titanio para fabricar diversos recipientes a presión, depósitos de combustible, sujeciones, correas de instrumentos, armazones y carcasas de cohetes.
Los satélites artificiales, los módulos lunares, las naves espaciales tripuladas y los transbordadores espaciales también utilizan componentes soldados fabricados con láminas de aleación de titanio.
En 1950, Estados Unidos utilizó por primera vez aleaciones de titanio en el cazabombardero F-84 para componentes no portantes, como los escudos térmicos del fuselaje trasero, los deflectores de viento y las cubiertas de la cola.
A partir de la década de 1960, las aplicaciones de las aleaciones de titanio se desplazaron de la parte trasera al fuselaje central, sustituyendo parcialmente al acero estructural para la fabricación de bastidores, vigas y pistas de flaps como componentes críticos de soporte de carga.
A partir de la década de 1970, los aviones civiles empezaron a utilizar ampliamente aleaciones de titanio, y el avión de pasajeros Boeing 747 incorporaba más de 3.640 kilogramos de titanio, lo que suponía 28% del peso del avión.
Con el avance de las técnicas de procesamiento, también se ha utilizado una cantidad considerable de aleación de titanio en cohetes, satélites y transbordadores espaciales. Cuanto más avanzado es el avión, mayor es el uso de titanio.
El caza estadounidense F-14A utiliza aleaciones de titanio que suponen unas 25% de su peso; el F-15A tiene 25,8%; los cazas de cuarta generación utilizan hasta 41% de titanio, y sólo el motor del F119 supone 39% de uso de titanio, el más alto de todos los aviones hasta la fecha.
¿Por qué los aviones de transporte aéreo deben utilizar aleaciones de titanio? Los aviones modernos pueden alcanzar velocidades de hasta 2,7 veces la velocidad del sonido. A velocidades supersónicas tan elevadas, la fricción con el aire genera una importante cantidad de calor.
Cuando la velocidad de vuelo supera el doble de la velocidad del sonido, las aleaciones de aluminio ya no pueden soportar las condiciones, por lo que es necesario utilizar aleaciones de titanio resistentes a altas temperaturas.
Como la relación empuje-peso de los motores de aviación ha pasado de 4-6 a 8-10, y la temperatura de salida del compresor ha aumentado de 200-300°C a 500-600°C, los discos y álabes del compresor de baja presión, antes de aluminio, han tenido que sustituirse por aleaciones de titanio.
Los recientes avances en el estudio de las propiedades de las aleaciones de titanio han permitido realizar progresos significativos.
Las aleaciones de titanio tradicionales compuestas de titanio, aluminio y vanadio, que tenían una temperatura máxima de trabajo de 550°C a 600°C, han sido sustituidas por aleaciones de aluminuro de titanio (TiAl) de nuevo desarrollo con temperaturas máximas de trabajo que alcanzan hasta 1040°C.
La sustitución del acero inoxidable por aleaciones de titanio para fabricar discos y álabes de compresores de alta presión puede reducir el peso estructural. Una reducción de 10% en el peso de un avión puede suponer un ahorro de 4% en combustible. En el caso de los cohetes, una reducción de 1 kg de peso puede aumentar la autonomía en 15 km.
En el altamente competitivo sector de la electrónica de consumo, representado por los teléfonos móviles, los principales fabricantes están muy interesados en utilizar aleaciones de titanio para mejorar la calidad de sus productos.
Marcas como Huawei, Apple, Xiaomi y Honor ya han incorporado este material a diversos productos. Apple ha equipado de serie sus relojes de la serie Ultra con carcasas de titanio, y su último iPhone 15 incluye un modelo Pro con un cuerpo de titanio totalmente nuevo, lo que supone el primer teléfono de Apple que adopta titanio de grado aeronáutico.
En 2022, Huawei utilizó una aleación de titanio en los componentes estructurales de su teléfono con pantalla plegable, el MateXs2, e incorporó un marco de titanio en el Watch4Pro.
El 12 de octubre, Honor lanzó su nuevo smartphone plegable insignia, el Honor MagicVs2, con materiales innovadores como la bisagra de titanio Luban. En la nueva gama de Xiaomi, el modelo más caro es la versión 14 Pro de titanio.
Se ha informado de que Samsung utilizará un marco de aleación de titanio para su próximo Galaxy S24 Ultra, similar al esquema de color de titanio original del iPhone 15 Pro.
En general, la combinación de alta resistencia específica y propiedades de ligereza es una razón clave por la que se promueven ampliamente las aleaciones de titanio, que permiten que los aparatos electrónicos de consumo sean más portátiles y ofrecen una experiencia de uso más cómoda.
En primer lugar, las aleaciones de titanio tienen una baja conductividad térmica, sólo una cuarta parte de la del acero, una treceava parte de la del aluminio y una veinticincoava parte de la del cobre. La lenta disipación del calor en la zona de corte no favorece el equilibrio térmico.
Durante el proceso de mecanizado, una disipación del calor y unos efectos de refrigeración deficientes pueden provocar altas temperaturas, deformaciones importantes y springback en las piezas mecanizadas, lo que provoca un aumento del par de la herramienta de corte y un rápido desgaste de la herramienta, lo que reduce su durabilidad.
En segundo lugar, la baja conductividad térmica de las aleaciones de titanio hace que el calor de corte se acumule en una pequeña zona cerca de la herramienta de corte, que es difícil de disipar. Esto aumenta la fricción en la cara de rastrillo, dificulta la evacuación de la viruta y acelera el desgaste de la herramienta.
Por último, la alta reactividad química de las aleaciones de titanio significa que tienden a reaccionar con la herramienta materiales a altas temperaturas durante el mecanizado, dando lugar a soldaduras y difusiones que pueden provocar que la herramienta se atasque, se queme e incluso se rompa.
Los centros de mecanizado pueden procesar varias piezas simultáneamente, lo que aumenta la eficacia de la producción. Mejoran la precisión del mecanizado, garantizando una buena consistencia de los productos.
Estos centros cuentan con compensación de herramientas capacidades que pueden alcanzar la precisión inherente a la propia máquina. Con una amplia adaptabilidad y una flexibilidad considerable, los centros de mecanizado son capaces de realizar operaciones multifuncionales.
Es posible realizar tareas como el mecanizado en arco, el biselado y el redondeo de transiciones en las piezas. Permiten el fresado, perforaciónoperaciones de escariado y roscado.
También se facilita el cálculo preciso de los costes y el control del programa de producción. La eliminación de la necesidad de utillajes especializados ahorra costes sustanciales y acorta el ciclo de producción, al tiempo que reduce significativamente la intensidad de trabajo de los operarios. También es posible el mecanizado multieje con software como UG.
En material de la herramienta debe tener una dureza significativamente superior a la de las aleaciones de titanio.
Debe poseer suficiente resistencia y tenacidad para soportar las grandes fuerzas de torsión y de corte experimentadas durante el mecanizado de aleaciones de titanio.
Una alta resistencia al desgaste es fundamental porque las aleaciones de titanio son duras y requieren aristas de corte afiladas para minimizar el endurecimiento por deformación. Este es el parámetro más importante a la hora de seleccionar herramientas para el mecanizado de aleaciones de titanio.
El material de la herramienta debe tener poca afinidad con las aleaciones de titanio para evitar la aleación por disolución y difusión, que puede provocar que la herramienta se pegue y se queme. Las pruebas realizadas con materiales de herramientas nacionales y extranjeros demuestran que las herramientas con alto contenido en cobalto tienen un rendimiento ideal.
El cobalto potencia el endurecimiento secundario, mejora la dureza al rojo y la dureza tras el tratamiento térmico, al tiempo que ofrece una gran tenacidad, resistencia al desgaste y una buena disipación del calor.
Las singulares características de mecanizado de las aleaciones de titanio hacen que los parámetros geométricos de las herramientas difieran significativamente de los de las herramientas estándar. Se elige un ángulo de hélice β más pequeño para facilitar la evacuación de la viruta y disipar más rápidamente el calor, lo que también reduce la resistencia al corte durante el mecanizado.
El ángulo de desprendimiento positivo γ garantiza un filo de corte afilado para un corte ligero y rápido, evitando un calor de corte excesivo y el consiguiente endurecimiento de la pieza. Un ángulo de separación α más pequeño ralentiza el desgaste de la herramienta y mejora la disipación del calor y la durabilidad de la herramienta.
El mecanizado de aleaciones de titanio requiere velocidades de corte más bajas, velocidades de avance adecuadamente grandes, profundidades de corte razonables y márgenes de acabado, con una amplia refrigeración. La velocidad de corte vc=30-50m/min es óptima, con mayores velocidades de avance para el mecanizado de desbaste y velocidades de avance moderadas para el acabado y semiacabado.
La profundidad de corte ap=1/3d es adecuada; las profundidades mayores pueden provocar que la herramienta se atasque, se queme o se rompa debido a la buena afinidad y difícil arranque de viruta de las aleaciones de titanio.
Es necesario un margen de acabado adecuado, ya que el endurecimiento superficial en las aleaciones de titanio es de aproximadamente 0,1-0,15 mm; una tolerancia demasiado pequeña puede provocar el desgaste de la herramienta debido al corte en la capa endurecida, pero la tolerancia no debe ser excesivamente grande para evitar este problema.
Es mejor evitar los refrigerantes que contienen cloro cuando se mecanizan aleaciones de titanio para evitar sustancias tóxicas y fragilización por hidrógenoasí como para proteger contra el agrietamiento por corrosión bajo tensión a alta temperatura.
Son preferibles las emulsiones sintéticas solubles en agua, o puede utilizarse una mezcla de refrigerante personalizada. Durante las operaciones de corte, asegúrese de que el refrigerante es abundante, con circulación rápida, alto caudal y presión.
Los centros de mecanizado vienen equipados con boquillas de refrigeración específicas que, si se ajustan correctamente, pueden lograr el efecto deseado.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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