Introducción a la aleación de titanio Ti-6Al-4V

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Tabla de contenido

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:

ElementoPeso %
TitanioSaldo
Aluminio5.5 – 6.75
Vanadio3.5 – 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:

PropiedadValor
Densidad4,43 g/cm3
Punto de fusión1604 - 1660°C
Resistencia a la tracción895 - 1170 MPa
Límite elástico825 - 1103 MPa
Alargamiento8 – 16%
Módulo elástico114 GPa
Resistencia a la fatiga400 - 500 MPa
Resistencia a la fractura55 - 115 MPa-m^1/2
Resistencia a la corrosiónExcelente
BiocompatibilidadExcelente

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:

IndustriaAplicaciones
AeroespacialComponentes de motores de aeronaves, fuselajes, elementos de fijación, sistemas hidráulicos
BiomédicaImplantes quirúrgicos, prótesis ortopédicas y dentales
MarinaHélices, plataformas marinas, tuberías, intercambiadores de calor
QuímicaDepósitos, tuberías, válvulas, bombas, recipientes de reacción
AutomotorVálvulas, bielas, muelles de suspensión
Generación de energíaÁlabes de turbinas de vapor, piezas de incineradoras de residuos, intercambiadores de calor
Artículos deportivosPalos 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.

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Introducción a la aleación de titanio Ti-6Al-4V 4

Especificaciones Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V está cubierto por las siguientes especificaciones:

EstándarTítulo
AMS 4911Aleación de titanio 6Al-4V, chapa/tira/placa recocida
ASTM B348Barras y tochos de titanio y aleaciones de titanio
ASTM F1472Aleación forjada de titanio-6aluminio-4vanadio para aplicaciones de implantes quirúrgicos
ASTM F1108Aleación de titanio-6aluminio-4vanadio para implantes quirúrgicos
AMS 4928Fundición a la cera perdida, acero resistente a la corrosión, alta resistencia, fundición al vacío, aleaciones de titanio
AMS 4965Chapa, fleje y placa de aleación de titanio 6Al -4V recocido
MSRR 9545Aleación 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 productoTamaños
Hoja0,4 - 6,35 mm de grosor
Placa6 - 250 mm de grosor
BarHasta 650 mm de diámetro
VarillaHasta 650 mm de diámetro
Alambre0,1 - 15 mm de diámetro
Tubo2 - 300 mm de diámetro
Piezas de fundiciónTamaños y formas personalizados
Piezas forjadasTamaños 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 ASTMResistencia a la tracción (min) MPaLímite elástico (min) MPa
5º curso895825
Grado 23965895
Grado 2411701103

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 productoPrecio 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:

ProcesoTratamiento térmico típico
Recocido705°C durante 2 horas, enfriar al aire
Alivio del estrés480 - 650°C durante 2 - 4 horas, enfriar al aire
Tratamiento de la solución930 - 955°C durante 1 hora, enfriamiento con agua
Envejecimiento480 - 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.

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Polvos metálicos PREPED

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
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Introducción a la aleación de titanio Ti-6Al-4V 5

Ti-6Al-4V frente a otras aleaciones de titanio

¿Cómo se compara el Ti-6Al-4V con otras aleaciones de titanio populares?

AleaciónFuerzaResistencia a la corrosiónCosteCasos prácticos
Ti-6Al-4VAltaExcelenteModeradoAeroespacial, marina, biomédica
CP TitanioMedioExcelenteBajoQuímica, sistemas de agua de mar
Ti-10V-2Fe-3AlMuy altaBienAltaFijaciones aeroespaciales, aparejos
Ti-3Al-2,5VMedioExcelenteModeradoMotores a reacción, fuselajes
Ti-13V-11Cr-3AlAltaExcelenteMuy altaComponentes 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.

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