Ti-6Al-4VTi-6Al-4V, también conocida como aleación de titanio de grado 5, es una de las aleaciones de titanio más populares utilizadas en diversas aplicaciones. Este artículo ofrece una visión completa de Ti-6Al-4V, incluyendo su composición, propiedades, aplicaciones, especificaciones, precios, manipulación y mucho más.
Composición Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V es una aleación de titanio alfa-beta que contiene 6% de aluminio, 4% de vanadio, 0,25% (máximo) de hierro, 0,2% (máximo) de oxígeno y el resto de titanio. He aquí la composición nominal de Ti-6Al-4V:
| Elemento | Peso % |
|---|---|
| Titanio | Saldo |
| Aluminio | 5.5 – 6.75 |
| Vanadio | 3.5 – 4.5 |
| Hierro | ≤ 0.3 |
| Oxígeno | ≤ 0.2 |
El aluminio estabiliza y refuerza la fase alfa, mientras que el vanadio permite la formación de la fase beta. La combinación de las fases alfa y beta confiere al Ti-6Al-4V una excelente solidez, resistencia a la corrosión y trabajabilidad.
Propiedades del Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V tiene las siguientes propiedades que lo hacen ventajoso para aplicaciones aeroespaciales, médicas, marinas y otras:
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Densidad | 4,43 g/cm3 |
| Punto de fusión | 1604 - 1660°C |
| Resistencia a la tracción | 895 - 1170 MPa |
| Límite elástico | 825 - 1103 MPa |
| Alargamiento | 8 – 16% |
| Módulo elástico | 114 GPa |
| Resistencia a la fatiga | 400 - 500 MPa |
| Resistencia a la fractura | 55 - 115 MPa-m^1/2 |
| Resistencia a la corrosión | Excelente |
| Biocompatibilidad | Excelente |
Características principales:
- Peso ligero con una elevada relación resistencia/peso
- Resiste temperaturas extremas
- Alta resistencia a la fatiga
- Resistente a la corrosión, ácidos, cloruros
- Compatible para implantes y prótesis
Aplicaciones Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V se utiliza en las siguientes aplicaciones principales debido a su combinación única de propiedades:
| Industria | Aplicaciones |
|---|---|
| Aeroespacial | Componentes de motores de aeronaves, fuselajes, elementos de fijación, sistemas hidráulicos |
| Biomédica | Implantes quirúrgicos, prótesis ortopédicas y dentales |
| Marina | Hélices, plataformas marinas, tuberías, intercambiadores de calor |
| Química | Depósitos, tuberías, válvulas, bombas, recipientes de reacción |
| Automotor | Válvulas, bielas, muelles de suspensión |
| Generación de energía | Álabes de turbinas de vapor, piezas de incineradoras de residuos, intercambiadores de calor |
| Artículos deportivos | Palos de golf, cuadros de bicicleta, raquetas de tenis, palos de hockey |
El Ti-6Al-4V permite diseñar componentes y equipos más ligeros, rápidos y duraderos.
Especificaciones Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V está cubierto por las siguientes especificaciones:
| Estándar | Título |
|---|---|
| AMS 4911 | Aleación de titanio 6Al-4V, chapa/tira/placa recocida |
| ASTM B348 | Barras y tochos de titanio y aleaciones de titanio |
| ASTM F1472 | Aleación forjada de titanio-6aluminio-4vanadio para aplicaciones de implantes quirúrgicos |
| ASTM F1108 | Aleación de titanio-6aluminio-4vanadio para implantes quirúrgicos |
| AMS 4928 | Fundición a la cera perdida, acero resistente a la corrosión, alta resistencia, fundición al vacío, aleaciones de titanio |
| AMS 4965 | Chapa, fleje y placa de aleación de titanio 6Al -4V recocido |
| MSRR 9545 | Aleación de titanio, hojas, tiras y placas 6Al - 4V, recocido |
Éstas abarcan los límites de composición de la aleación, las propiedades mecánicas, el tratamiento térmico, los requisitos de microestructura, los ensayos de corrosión y otros parámetros.
Formas del producto Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V se fabrica en las siguientes formas, tamaños, formas y acabados:
| Forma del producto | Tamaños |
|---|---|
| Hoja | 0,4 - 6,35 mm de grosor |
| Placa | 6 - 250 mm de grosor |
| Bar | Hasta 650 mm de diámetro |
| Varilla | Hasta 650 mm de diámetro |
| Alambre | 0,1 - 15 mm de diámetro |
| Tubo | 2 - 300 mm de diámetro |
| Piezas de fundición | Tamaños y formas personalizados |
| Piezas forjadas | Tamaños y formas personalizados |
Los acabados incluyen laminado en caliente, laminado en frío, recocido, pulido, mecanizado, decapado, desincrustado y más.
Calidades Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V está cubierto por los siguientes grados ASTM que difieren en los niveles mínimos de resistencia a la tracción y al límite elástico:
| Grado ASTM | Resistencia a la tracción (min) MPa | Límite elástico (min) MPa |
|---|---|---|
| 5º curso | 895 | 825 |
| Grado 23 | 965 | 895 |
| Grado 24 | 1170 | 1103 |
El grado 5 Ti-6Al-4V proporciona las propiedades estándar, mientras que los grados 23 y 24 son variantes de alta resistencia.
Proveedores de Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V está disponible en los principales proveedores y distribuidores de titanio que se indican a continuación:
- ATI
- VSMPO-AVISMA
- Materiales metálicos occidentales
- Baoji Titanium Industry Co.
- Tecnologías superconductoras occidentales
- Industrias del titanio
La capacidad mundial de producción de esponja de titanio se estimó en torno a las 330.000 toneladas en 2020, y gran parte de ella se destinó a la fabricación de Ti-6Al-4V.
Ti-6Al-4V Precios
A partir de 2023, el precio del Ti-6Al-4V es de aproximadamente:
| Forma del producto | Precio por kg |
|---|---|
| Hoja/Placa | $15 – $50 |
| Bar/Rod | $15 – $35 |
| Alambre | $25 – $60 |
| Tubo | $20 – $45 |
| Piezas de fundición | $25 – $100 |
| Piezas forjadas | $25 – $100 |
Los precios varían en función del tamaño, el grosor, la calidad, la cantidad pedida, el procesamiento, los plazos de entrega y la dinámica de la oferta y la demanda. Las fábricas suelen ofrecer descuentos por volumen.
Mecanizado de Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V tiene una baja conductividad térmica, por lo que el calor se disipa lentamente durante el mecanizado. Las técnicas recomendadas incluyen:
- Utilice montajes rígidos para minimizar las vibraciones
- Emplear altas velocidades de corte con avances/profundidades lentos.
- Utilizar herramientas de desprendimiento positivo elevado con aristas cortantes afiladas.
- Aplicar refrigeración por inundación pesada utilizando emulsiones
- Control de la formación de virutas para evitar el endurecimiento por deformación
Se suelen utilizar herramientas de carburo, cermet, CBN y diamante. Deben evitarse los refrigerantes que contengan azufre.
Soldadura Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V puede soldarse mediante GTAW, PAW, LBW y otros métodos. Las precauciones incluyen:
- Mantener el blindaje de gas inerte para evitar la oxidación
- Limitar el aporte de calor para evitar grietas y pérdida de resistencia
- Puede ser necesario un tratamiento térmico posterior a la soldadura
- Adaptación de la composición del metal de aportación al metal base
Los metales de aportación más comunes son el ER5356 y el ER2319.
Tratamiento térmico Ti-6Al-4V
El Ti-6Al-4V puede someterse a tratamiento térmico para modificar su microestructura y sus propiedades mecánicas:
| Proceso | Tratamiento térmico típico |
|---|---|
| Recocido | 705°C durante 2 horas, enfriar al aire |
| Alivio del estrés | 480 - 650°C durante 2 - 4 horas, enfriar al aire |
| Tratamiento de la solución | 930 - 955°C durante 1 hora, enfriamiento con agua |
| Envejecimiento | 480 - 595°C durante 2 - 8 horas, enfriar al aire |
El recocido mejora la ductilidad y la maquinabilidad. El envejecimiento aumenta la resistencia. Un tratamiento térmico adecuado es fundamental para optimizar las propiedades.
Forja de Ti-6Al-4V
El forjado produce componentes sólidos de Ti-6Al-4V con una excelente resistencia a la fatiga. Aspectos clave de la forja:
- Calentar lentamente hasta temperatura de forja 700 - 850°C
- Pueden ser necesarias varias forjas con recocidos intermedios
- Recorte en caliente de piezas forjadas antes del recocido
- Recocido después del forjado para aliviar las tensiones
- La tolerancia de la máquina debe ser de 1 - 2 mm
La forja en matriz cerrada bajo martillos o prensas produce las mejores propiedades. El titanio requiere grandes esfuerzos de forja.
Fundición de Ti-6Al-4V
La fundición a la cera perdida de Ti-6Al-4V permite fabricar formas complejas con buenos acabados superficiales:
- Utilización de compuertas múltiples y contrahuellas para coladas sólidas
- Mantener la atmósfera inerte durante la fusión y la colada
- El prensado isostático en caliente (HIP) ayuda a eliminar los defectos internos
- Superficie fresada químicamente para eliminar la carcasa alfa
- Recocido de piezas fundidas para mejorar la ductilidad
El Ti-6Al-4V fundido tiene una resistencia a la fatiga inferior a la de los productos forjados.
Unión Ti-6Al-4V
Entre los métodos de unión más comunes del Ti-6Al-4V se incluyen:
- Soldadura por fusión (GTAW, PAW, LBW, haz de electrones)
- Soldadura fuerte con metales de aportación Ti-Cu-Ni
- Fijación mecánica, pernos, remaches
- Pegado con epoxi o poliimida
La resistencia de la unión depende del proceso utilizado. La composición de la aleación y la minimización de la contaminación son fundamentales.
Ti-6Al-4V Manipulación
Prácticas de manipulación recomendadas para Ti-6Al-4V:
- Utilizar guantes limpios para evitar la contaminación por aceites y sales de la piel
- Evitar el contacto con metales peligrosos como cadmio, mercurio, galio
- Prevenir la exposición a ácidos, cloruros y otros productos químicos corrosivos
- Almacenar en lugar fresco, seco, inerte y alejado de la humedad
- Protege de arañazos, mellas y abolladuras durante el transporte y el almacenamiento
El polvo de titanio es altamente inflamable y sensible a las descargas estáticas. Siga los procedimientos adecuados de conexión a tierra, ventilación y limpieza.
Ti-6Al-4V Seguridad
Principales medidas de seguridad para la manipulación de aleaciones de titanio:
- Utilizar los EPI adecuados: protección ocular, máscara antipolvo, guantes
- Utilice suficiente ventilación local durante el mecanizado
- Evitar respirar humos de soldadura o corte térmico
- Evitar la acumulación de virutas y polvo
- Garantizar la disponibilidad de equipos de extinción de incendios adecuados.
- Siga prácticas seguras para bombonas de gas comprimido y criógenos
El titanio en sí tiene una toxicidad baja, pero su procesamiento puede generar partículas peligrosas.
Inspección de Ti-6Al-4V
Las piezas de Ti-6Al-4V suelen inspeccionarse utilizando:
- Examen visual y macroscópico para detectar defectos
- Prueba de líquidos penetrantes para detectar defectos superficiales
- Inspección ultrasónica de la integridad interna
- Pruebas radiográficas con rayos X o gamma
- Métodos de corrientes de Foucault para identificar grietas y huecos
- Pruebas y ensayos de presión de componentes acabados
También se suelen comprobar la estructura del grano, la profundidad de la caja alfa, el acabado superficial y las dimensiones.
Garantía de calidad Ti-6Al-4V
Los proveedores de Ti-6Al-4V deben disponer de sistemas de calidad certificados:
- Gestión de la calidad ISO 9001
- AS9100 Norma aeroespacial
- Norma ISO 13485 sobre productos sanitarios
- NADCAP Procesos especiales como tratamiento térmico y END
Las aplicaciones médicas y de fuselaje tienen requisitos reglamentarios adicionales.
Ventajas del Ti-6Al-4V
- Excelente relación resistencia-peso
- Resiste temperaturas extremas
- Resiste la corrosión en muchos entornos
- Biocompatible para implantes
- Puede tratarse térmicamente para adaptar sus propiedades
- Fácil de conformar y mecanizar
- Disponible en muchos proveedores cualificados
Limitaciones del Ti-6Al-4V
- Más caro que los aceros y las aleaciones de aluminio
- Menor rigidez que el acero
- No tratable térmicamente hasta la dureza total
- Sujeto a gripado y agarrotamiento durante el mecanizado
- Los tamaños de sección están limitados por las capacidades de forja y fundición
- La fusión requiere una atmósfera inerte controlada
Ti-6Al-4V frente a otras aleaciones de titanio
¿Cómo se compara el Ti-6Al-4V con otras aleaciones de titanio populares?
| Aleación | Fuerza | Resistencia a la corrosión | Coste | Casos prácticos |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | Alta | Excelente | Moderado | Aeroespacial, marina, biomédica |
| CP Titanio | Medio | Excelente | Bajo | Química, sistemas de agua de mar |
| Ti-10V-2Fe-3Al | Muy alta | Bien | Alta | Fijaciones aeroespaciales, aparejos |
| Ti-3Al-2,5V | Medio | Excelente | Moderado | Motores a reacción, fuselajes |
| Ti-13V-11Cr-3Al | Alta | Excelente | Muy alta | Componentes aeroespaciales |
El Ti-6Al-4V ofrece las mejores propiedades generales a un coste razonable. Otras aleaciones ofrecen mayor resistencia o prestaciones anticorrosivas para aplicaciones especializadas.
Preguntas más frecuentes
P: ¿Para qué se utiliza el Ti-6Al-4V?
R: El Ti-6Al-4V se utiliza ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, marinas, de procesamiento químico, biomédicas y de consumo en las que se requiere alta resistencia, bajo peso y resistencia a la corrosión.
P: ¿Es el Ti-6Al-4V más resistente que el acero?
R: Sí, el Ti-6Al-4V tiene una mayor relación resistencia-peso que la mayoría de los aceros, pero menor rigidez. Es aproximadamente 60% más pesado que el aluminio.
P: ¿Es el Ti-6Al-4V compatible con implantes médicos?
R: Sí, el Ti-6Al-4V tiene una biocompatibilidad excelente y se utiliza habitualmente para prótesis articulares, implantes dentales, marcapasos y dispositivos de fijación de fracturas.
P: ¿Necesita tratamiento térmico el Ti-6Al-4V?
R: El Ti-6Al-4V puede someterse a tratamiento térmico para modificar sus propiedades. El tratamiento por disolución y el envejecimiento pueden aumentar significativamente su resistencia.
P: ¿Cuál es la diferencia entre el grado 5 y el grado 23 del Ti-6Al-4V?
R: El grado 5 es la aleación estándar con una resistencia mínima a la tracción de 895 MPa. El grado 23 tiene unos requisitos de resistencia superiores, de 965 MPa como mínimo.
P: ¿Cuál es la resistencia a la corrosión del Ti-6Al-4V?
R: El Ti-6Al-4V presenta una excelente resistencia a la corrosión frente a la mayoría de los ácidos, cloruros y ambientes salinos. Su pasividad se mantiene en un amplio rango de pH.
P: ¿Se puede soldar Ti-6Al-4V?
R: Sí, se pueden utilizar métodos de soldadura como GTAW, LBW y PAW para soldar Ti-6Al-4V. Deben seguirse los procedimientos adecuados para garantizar la integridad de la unión.
P: ¿Cuál es el coste del Ti-6Al-4V en comparación con otros metales?
R: Por libra, el Ti-6Al-4V es más caro que los aceros y las aleaciones de aluminio, pero más barato que las aleaciones exóticas como el Inconel o el Hastelloy.
P: ¿Cuáles son las alternativas al Ti-6Al-4V?
R: Para uso aeroespacial, el Ti-10V-2Fe-3Al proporciona mayor resistencia. Para la resistencia a la corrosión, el titanio CP o el Ti-3Al-2,5V son excelentes. Ti-1023 y Ti-5553 son aleaciones más recientes de alta resistencia.