Polvos de aleación de titanio se refiere a los materiales metálicos a base de titanio en forma de polvo utilizados para procesos de fabricación aditiva como el sinterizado selectivo por láser (SLS) y la fusión por haz de electrones (EBM). La pulvimetalurgia permite crear componentes complejos de titanio con propiedades mecánicas superiores a las de los productos forjados.
Las aleaciones de titanio se valoran por su elevada relación resistencia-peso, resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión. Cuando se procesan en polvos finos, pueden utilizarse para imprimir en 3D piezas intrincadas y ligeras para aplicaciones aeroespaciales, médicas, dentales, de automoción y otras.
Esta guía ofrece una visión completa de los distintos tipos de aleaciones de titanio en polvo, sus características, aplicaciones, especificaciones, proveedores, costes, instalación, funcionamiento y mantenimiento de los equipos de AM basados en polvo, etc.
Tipos de aleaciones de titanio en polvo
Las aleaciones de titanio se clasifican generalmente en aleaciones alfa, alfa-beta y beta. Los polvos de titanio más comunes son:
| Tipo | Composición | Caracteristicas |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V | 6% aluminio, 4% vanadio | Aleación alfa-beta, la más popular para componentes aeroespaciales por su resistencia y soldabilidad. |
| Ti-6Al-7Nb | 6% aluminio, 7% niobio | Aleación alfa-beta, mayor resistencia que Ti-6Al-4V |
| Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | 5% cada uno de aluminio, molibdeno, vanadio y cromo | Aleación casi alfa, excelente resistencia a la corrosión y a altas temperaturas |
| Ti-5553 | 5% aluminio, 5% molibdeno, 4% niobio, 3% vanadio, 1% circonio | Aleación casi alfa, utilizada para piezas de compresores debido a su resistencia a la fatiga. |
| Ti-10V-2Fe-3Al | 10% vanadio, 2% hierro, 3% aluminio | Aleación beta, la más resistente de todas las aleaciones de titanio, pero menos dúctil. |
Características de los polvos de aleaciones de titanio
Características clave de los polvos de aleación de titanio:
| Característica | Detalles |
|---|---|
| Forma de las partículas | Mayoritariamente esférico, algunas formas irregulares, afecta a la fluidez y a la densidad de empaquetamiento |
| Distribución granulométrica | Distribución estrecha entre 15-45 micras común, afecta a la densidad y calidad final de la pieza |
| Fluidez | Depende de la forma, la distribución del tamaño y la estructura de la superficie - mejora con esferoidización y agentes de flujo |
| Densidad aparente | Alrededor de 2,5-3,5 g/cc en función de la composición y el método de procesado. |
| Densidad del grifo | Alrededor de 60-80% de densidad teórica basada en el embalaje - una mayor mejora la densidad final de la pieza |
| Contenido de óxido | Presente como capa superficial delgada, los niveles más altos pueden causar defectos en las piezas finales |
| Reciclabilidad | Depende de la absorción de oxígeno y nitrógeno - a menudo son posibles hasta 20 ciclos de reutilización |
Aplicaciones de los polvos de aleaciones de titanio
Los polvos de aleaciones de titanio se utilizan para la fabricación aditiva de componentes críticos en todos los sectores industriales:
| Industria | Aplicaciones |
|---|---|
| Aeroespacial | Componentes estructurales de fuselajes, piezas de motores a reacción, fuselajes, turbinas |
| Médico | Implantes ortopédicos y dentales, prótesis, instrumental quirúrgico |
| Automotor | Piezas del motor, componentes de la cadena cinemática, piezas bajo el capó |
| Industrial | Herramientas, fabricación de moldes, robótica, equipos de fabricación |
| Petróleo y gas | Válvulas, bombas, componentes de boca de pozo, tuberías |
| Química | Equipos de proceso, reactores, intercambiadores de calor |
Entre sus ventajas se encuentran el ahorro de peso, la personalización, la simplificación de los ensamblajes, la agilización de la creación de prototipos y la mejora de los costes del ciclo de vida frente a la fabricación tradicional.
Especificaciones de los polvos de aleación de titanio
Los polvos de aleaciones de titanio deben cumplir unas especificaciones químicas, físicas y microestructurales muy exigentes para su uso en procesos de AM:
| Parámetro | Especificación típica |
|---|---|
| Pureza | >99% titanio, baja contaminación O, C, N, H |
| Forma de las partículas | Predominantemente esférico |
| Tamaño de las partículas | 15 a 45 micras |
| Distribución por tamaños | D10 > 10 micras, D90 < 100 micras |
| Densidad aparente | >2,5 g/cc |
| Densidad del grifo | >3,5 g/cc |
| Ratio de Hausner | <1.25 |
| Caudal | >25 s/50 g |
| Óxido superficial | <3000 ppm |
| Oxígeno a granel | <2000 ppm |
| Nitrógeno | <400 ppm |
| Hidrógeno | <150 ppm |
| Microestructura | fase alfa, alfa-beta o beta |
Cumplir las normas de calidad del polvo es fundamental para conseguir una fabricación sin defectos, buenas propiedades mecánicas y un buen acabado superficial.
Proveedores de aleaciones de titanio en polvo
Entre los principales proveedores mundiales de aleaciones de titanio en polvo figuran:
| Proveedor | Grados de polvo | Normas de calidad |
|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM B348, ASTM F2924, ASTM F3049 |
| Aditivo para carpinteros | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti 6-4, Ti CP2, Ti SP700 | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| Tecnología LPW | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Ti 5553 | ASTM F2924, ISO 23301 |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti CP-2, Beta-C | ASTM F2924, ASTM F3001 |
| TLS Técnica | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | ASTM F2924, ASTM F3001 |
También pueden obtenerse calidades especiales para aplicaciones específicas.
Coste de los polvos de aleación de titanio
Los costes del polvo de aleación de titanio varían en función de:
| Factor | Detalles |
|---|---|
| Composición de la aleación | Ti-6Al-4V más común y económico |
| Calidad | Los grados aeroespaciales son más caros que los industriales |
| Volumen de pedidos | El precio del polvo se reduce a mayores cantidades |
| Gama de tamaños de partículas | Los polvos finos de menos de 30 micras son más costosos |
| Proveedor | Los precios varían según las marcas |
| Método de tratamiento | Los polvos atomizados con gas son más caros que los atomizados con plasma |
Precios habituales:
- Ti-6Al-4V: $150 a $450 por kg
- Ti-6Al-4V ELI: $250 a $600 por kg
- Ti-6Al-7Nb: $400 a $750 por kg
- Ti 5553: $500 a $800 por kg
El reciclaje de chatarra de titanio puede reducir los costes en un 40-60%.
Manipulación, almacenamiento y preparación del polvo
Es esencial manipular, almacenar y preparar adecuadamente los polvos de aleaciones de titanio:
| Actividad | Procedimiento |
|---|---|
| Manejo de | Utilizar campanas de polvo, sistemas de transferencia de vacío para minimizar la exposición |
| Almacenamiento | Almacenar los envases cerrados en una atmósfera de argón sin humedad |
| Mezcla | Mezclar polvos y material de reciclaje en proporciones correctas |
| Secado | Eliminar la humedad a 200°C durante 2-4 horas para evitar defectos |
| Tamizado | Tamizar polvos a través de una malla fina para romper los aglomerados |
| Acondicionamiento del flujo | Añadir 0,1-0,5% agentes de flujo como nanopartículas de sílice. |
La contaminación y la entrada de oxígeno deben reducirse al mínimo para garantizar un alto rendimiento de reutilización y la calidad de la pieza final.
Proceso de sinterización selectiva por láser
Visión general del proceso SLS:
- El polvo se extiende en capas finas y se funde selectivamente mediante un láser de alta potencia
- Las estructuras de soporte se construyen simultáneamente con la pieza
- Las piezas se incrustan en el lecho de polvo sin fundir hasta que se completan
- Se elimina el exceso de polvo para revelar la pieza en 3D
El SLS de aleaciones de titanio requiere:
- Tamaño de partícula entre 15-45 micras con morfología esférica
- Bajo contenido en oxígeno y nitrógeno
- Optimización precisa de la densidad de energía láser
- Entorno de gas inerte para evitar la contaminación
- Tratamiento térmico de alivio de tensión de piezas
El SLS permite geometrías complejas, pero el acabado superficial y las tolerancias son inferiores a los de la EBM.
Proceso de fusión por haz de electrones
Visión general del proceso de MBE:
- Las capas de polvo de titanio se precalientan antes de la fusión
- Las piezas se construyen sobre una placa en lugar de plataforma para una mejor disipación del calor
- El haz de electrones funde selectivamente el polvo en el vacío
- No requiere estructuras de soporte y el polvo no utilizado puede reciclarse
La EBM de aleaciones de titanio requiere:
- Tamaños de polvo fino entre 45-105 micras
- Alta potencia de haz ≥ 3kW y tensiones de aceleración 30-60 kV
- Niveles de vacío inferiores a 5 x 10-5 mbar
- Precalentamiento a alta temperatura hasta 750°C
La EBM permite mayores velocidades de fabricación, mejores propiedades del material y mejor acabado superficial en comparación con la SLS.
Postprocesado de piezas de titanio
Las piezas de titanio fabricadas por AM requieren un tratamiento posterior:
| Proceso | Propósito |
|---|---|
| Eliminación de polvo | Eliminar el polvo suelto de las cavidades internas |
| Alivio de tensiones térmicas | Reducir las tensiones residuales mediante tratamiento térmico |
| Prensado isostático en caliente | Elimina los huecos internos y aumenta la densidad |
| Mecanizado | Mejorar la precisión dimensional y el acabado superficial |
| Tratamientos superficiales | Aplicar revestimientos o tratamientos para adaptar las propiedades |
Las estructuras de soporte se retiran fácilmente, ya que están hechas del mismo material de titanio.
Funcionamiento y mantenimiento de equipos de Metal AM
El funcionamiento y el mantenimiento fiables de los sistemas de AM metálica requieren:
- Formación de los operarios sobre las capacidades de la máquina, el software y los materiales
- Establecimiento de procedimientos normalizados de trabajo para la optimización de parámetros, el control de calidad y los flujos de trabajo
- Supervisión y documentación de los procesos de construcción mediante sensores, cámaras
- Sustitución periódica de filtros, tamices, rascadores, rodillos
- Comprobación de la óptica láser, los emisores de haces de electrones y el enfoque
- Calibración de la capa de polvo y de los sistemas de suministro de energía
- Seguimiento y sustitución de los suministros de argón, helio y nitrógeno
- Limpieza de cámaras de construcción y sistemas de manipulación de materiales
- Mantenimiento periódico según las recomendaciones del OEM
El mantenimiento proactivo mejora el tiempo de actividad, maximiza la vida útil del equipo y garantiza una calidad óptima de las piezas impresas.
Elección de un proveedor de polvo de aleación de titanio
Factores para elegir un proveedor de polvo de aleación de titanio:
| Consideración | Detalles |
|---|---|
| Grados de polvo | Gama de aleaciones y composiciones admitidas |
| Certificaciones de calidad | Cumplimiento de las normas ASTM, ISO y otras normas |
| Personalización | Capacidad de producir polvos especializados para aplicaciones |
| Informes de análisis de lotes | Composición, características y resultados de las pruebas de cada lote |
| Capacidad de ensayo | Alcance de las pruebas de calidad realizadas a los materiales entrantes |
| Servicios de muestreo | Suministro de muestras gratuitas para su evaluación |
| Plazos de entrega | Niveles de existencias y ritmos de producción para cumplir los objetivos de entrega |
| Cantidades mínimas de pedido | Flexibilidad con pequeños pedidos de prueba |
| Conocimientos técnicos | Conocimientos de metalurgia y aplicaciones para ayudar a los clientes |
| Atención al cliente | Capacidad de respuesta a consultas, problemas y necesidades personalizadas |
| Precios | Precios competitivos y transparentes, descuentos por grandes volúmenes |
La elección de proveedores reputados con un estricto control de calidad garantiza una fuente fiable de polvos de aleación de titanio de alto rendimiento adaptados a los procesos de AM.
Ventajas e inconvenientes de los polvos de aleación de titanio
Ventajas:
- Elevada relación resistencia/peso
- Resistencia a la corrosión y a la fatiga
- Biocompatibilidad para usos médicos
- Se pueden fabricar aleaciones a medida
- Geometrías complejas y ligeras producidas por AM
- Más rápido y barato que el mecanizado sustractivo
- Reducción de plazos de entrega e inventarios
Limitaciones:
- Los polvos son caros en comparación con otros materiales
- Disponibilidad limitada de proveedores y equipos AM
- Dificultad para conseguir una alta densidad y acabado superficial
- A menudo es necesario un tratamiento secundario
- Susceptible de contaminación durante la manipulación
- El postprocesamiento puede ser costoso y llevar mucho tiempo
- Falta de códigos y normas para el control de calidad
Con los continuos avances en la tecnología AM, los polvos de aleaciones de titanio ofrecen un potencial apasionante en todos los sectores de fabricación frente a los retos de procesamiento que mejoran continuamente.
Preguntas más frecuentes
P: ¿Cuáles son las principales aleaciones de titanio utilizadas en pulvimetalurgia?
R: Ti-6Al-4V es la aleación de titanio en polvo más común debido a su excelente resistencia, resistencia a la corrosión y soldabilidad. Otras aleaciones son Ti-6Al-7Nb para una mayor resistencia y Ti 6-4 ELI para usos biomédicos.
P: ¿Cómo afecta la calidad del polvo de aleación de titanio a las propiedades de las piezas de AM?
R: Las características del polvo, como la distribución del tamaño de las partículas, la forma, la densidad de toma y el contenido de oxígeno, afectan directamente a la densidad, el acabado superficial, la microestructura y el rendimiento mecánico de las piezas finales.
P: ¿Qué precauciones hay que tomar al manipular polvos de titanio?
R: La exposición al aire provoca contaminación, por lo que los polvos de titanio deben manipularse en un entorno de gas inerte sin humedad utilizando guantes y respiradores. Los recipientes de almacenamiento deben sellarse al vacío.
P: ¿Cuál es el precio habitual del polvo de aleación Ti-6Al-4V?
R: Para polvos Ti-6Al-4V de grado industrial estándar adecuados para AM, el precio suele oscilar entre $150 y $450 por kg, dependiendo de la cantidad y del proveedor. Los grados aeroespaciales son más caros.
P: ¿Cuáles son las principales ventajas de SLS frente a EBM para las aleaciones de titanio?
R: El SLS puede producir geometrías complejas y ligeras sin soportes. La EBM permite una mayor velocidad de fabricación, mejores propiedades del material y mejor acabado superficial.
P: ¿Por qué es necesario el posprocesado en las piezas de titanio AM?
R: Pasos como el prensado isostático en caliente, el tratamiento térmico y el mecanizado ayudan a aliviar tensiones, cerrar huecos internos, mejorar la precisión dimensional y mejorar el acabado superficial.
P: ¿Cómo se pueden maximizar los rendimientos de reciclado y reutilización del polvo?
R: Reduciendo al mínimo la exposición al aire durante la manipulación, secando los polvos antes de reutilizarlos y mezclándolos con pequeñas proporciones de polvo fresco para evitar la acumulación de impurezas.
P: ¿Qué normas se utilizan para especificar la calidad de los polvos de aleación de titanio?
R: Las normas clave son ASTM F2924, ASTM F3001 e ISO 23301, que establecen límites de composición, métodos de ensayo aceptables y procedimientos de muestreo.