Polvo Ti3Al: Composición, propiedades, aplicaciones y más

Algunas de las principales propiedades y características del polvo de Ti3Al incluyen:

• Alta resistencia a temperaturas elevadas de hasta 750 °C
• Densidad casi la mitad de las superaleaciones de níquel
• Resistencia a la corrosión excepcional
• Baja densidad comparada con otras aleaciones de titanio
• Resistencia a la oxidación hasta aproximadamente 700¡«C
• Resistencia al desgaste
• Biocompatibilidad

Sin embargo, Ti3Al también presenta limitaciones como baja ductilidad a temperatura ambiente, baja tenacidad a la fractura y baja soldabilidad. Se requieren procesamiento y adiciones de aleación adecuados para optimizar el equilibrio de propiedades para diferentes aplicaciones.

Este artículo ofrece una descripción detallada de la composición, propiedades, aplicaciones, proveedores, costes, métodos de ensayo y otros detalles técnicos relacionados con el polvo de Ti3Al.

Composición en polvo de Ti3Al

El polvo de Ti3Al tiene una composición nominal de 75 % titanio y 25 % aluminio en peso. El compuesto intermetálico de aluminuro de titanio se forma entre un 50 y un 75 % de aluminio, siendo el Ti3Al la versión más común.

La composición exacta puede variar dependiendo del método de producción. A menudo se añaden otros elementos como Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C y O en pequeñas cantidades para mejorar ciertas propiedades. Esta tabla muestra el intervalo típico de composición:

Elemento	Porcentaje de peso
Titanio (Ti)	69 – 76%
Aluminio (Al)	24 – 31%
Niobio (Nb)	0 – 6%
Molibdeno (Mo)	0 – 4%
Silicio (Si)	0 – 2%
Boro (B)	0 – 0.5%
Tantalio (Ta)	0 – 5%
Tungsteno (W)	0 – 5%
Carbono (C)	0 – 0.1%
Oxígeno (O)	0 – 0.2%

El control del contenido de oxígeno y carbono es fundamental para evitar la fragilidad y mantener la ductilidad. También pueden presentarse otros oligoelementos según las materias primas y el proceso.

Propiedades del polvo de Ti3Al

Las propiedades únicas del polvo de Ti3Al provienen de su estructura cristalina intermetálica ordenada, que consiste en átomos de titanio y aluminio. Algunas de las propiedades notables incluyen:

Resistencia a altas temperaturas

El Ti3Al conserva una resistencia relativamente alta hasta 750 °C, significativamente mejor que el titanio o el aluminio por sí solos. Esto lo hace idóneo para aplicaciones de temperatura elevada en motores, turbinas, válvulas, etc. La tabla siguiente compara la resistencia del Ti3Al con otras aleaciones de titanio a diferentes temperaturas:

Aleación	Resistencia a temperatura ambiente (MPa)	Resistencia a 500¡«C (MPa)	Densidad (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Baja densidad

Con una densidad cercana a 3,7 - 4,1 g / cm3, el Ti3Al es mucho más ligero que las superaleaciones de níquel y otras aleaciones de titanio. Esto ayuda a reducir el peso del componente, lo que resulta crítico en aplicaciones aeroespaciales.

Resistencia a la oxidación

Ti3Al ofrece una buena resistencia a la oxidación hasta 700 ¡«C en el aire, mejor que el titanio sin alear. Esto le permite operar a altas temperaturas sin una pérdida excesiva de material.

Resistencia a la corrosión

El contenido de titanio brinda a la Ti3Al una excelente resistencia a la corrosión frente a una amplia gama de ácidos, álcalis y ambientes salinos. Esto la hace útil en equipos para el procesamiento de sustancias químicas.

Resistencia al desgaste

Ti3Al presenta una resistencia a la abrasión y a la erosión similar a la del acero, lo que lo convierte en un material adecuado para aplicaciones de alto desgaste, como válvulas, bombas y matrices de extrusión.

Sin embargo, Ti3AI también sufre de desventajas como:

• Baja ductilidad a temperatura ambiente y tenacidad a la fractura
• Difícil de fabricar y mecanizar
• Escasa soldabilidad debido a la susceptibilidad de fisuración

El procesamiento adecuado y las adiciones de aleaciones se requieren para optimizar el equilibrio de las propiedades para la aplicación prevista.

Aplicaciones del polvo Ti3Al

Las propiedades únicas del polvo de Ti3Al lo hacen adecuado para las siguientes aplicaciones:

Aeroespacial

La industria aeroespacial es el mayor consumidor de productos de Ti3Al debido a la necesidad de ahorrar peso, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la oxidación. Las aplicaciones típicas incluyen:

• Álabes, aspas, discos de turbina
• Cámaras de combustión, postquemadores
• Fuselajes, componentes estructurales
• Sujetadores hidráulicos, válvulas

Automovilístico

El sector de automoción utiliza Ti3Al para los componentes del turbocompresor, válvulas, amortiguadores, cierres y componentes del sistema de escape que requieren mayor resistencia a temperaturas elevadas y menor peso.

Procesamiento químico

Ti3Al se utiliza para componentes como válvulas, bombas, accesorios de tuberías, recipientes de reacción que requieren resistencia a la corrosión combinada con propiedades mecánicas de alta temperatura.

Biomédica

La biocompatibilidad, la resistencia a la corrosión y la resistencia del Ti3Al hacen que sea ideal para implantes ortopédicos como articulaciones de cadera artificiales.

Otras aplicaciones incluyen válvulas de alto rendimiento, troqueles de extrusión, elementos calefactores y artículos deportivos. Ti3Al también se utiliza como polvo de fabricación aditiva.

Especificaciones del polvo de Ti3Al

El polvo de Ti3Al está disponible en diferentes rangos de tamaño, morfologías y niveles de pureza dependiendo del proceso de producción. Las especificaciones clave se indican a continuación:

Especificación	Detalles
Tamaños de partículas	15 - 150 micrones
Morfología	Esférico, angular, mixto
Densidad aparente	2 – 3,5 g/cm3
Densidad de golpecito	3 – 4.5 g/cm3
Pureza	¡Al 99%, al 99,9%!
Contenido de Oxígeno	¨P 0,2 % en peso
Contenido de nitrógeno	¨P 0,05 % en peso
Contenido de carbono	¨P 0,08 wt%
Contenido de hierro	·P 0,30 % en peso
Contenido de níquel	¨P 0,10 %wt
Paquetes estándar	5 kg, 10 kg, 25 kg

Tamaños de partículas más finos generalmente proporcionan una mejor fluidez, densidad de empaque y reactividad. Las morfologías esféricas también mejoran el flujo de polvo. Una mayor pureza reduce los contaminantes y mejora las propiedades.

Producción de polvo de Ti3Al

Hay varios métodos utilizados para producir polvo de Ti3Al incluyendo:

• Atomización de gas?- La aleación de Ti-Al fundida se atomiza con gas inerte en gotas pequeñas que se solidifican en polvo. Esto produce partículas esféricas con buena fluidez.
• Aleación Mecánica?- Los polvos elementales Ti y Al son molidos a bolas para sintetizar el compuesto intermetálico de forma mecánica. Las partículas de polvo tienen formas irregulares.
• Esferoidización de plasma?- El polvo Ti3Al irregular de la aleación mecánica se vuelve a fundir en plasma para generar polvo esférico.
• Fusión por inducción de electrodo con atomización de gas (EIGA)?- Derrite y atomiza directamente un electrodo de Ti3Al para producir polvo.

La atomización de gas y el procesamiento de plasma permite un mejor control sobre la distribución del tamaño de la partícula, la morfología, la captación de oxígeno y la microestructura. El polvo generalmente debe tamizarse en fracciones de tamaño específicas después de la producción según los requisitos de la aplicación.

Precio del polvo de Ti3Al

El polvo Ti3Al es significativamente más caro que los polvos de titanio o aluminio por sí solos. Los costes varían entre:

• 100 - 500 $ por kg para polvo atomizado a gas de pureza del 99 %
• 50 $ - 250$ el kg polvo aleado mecánico al 99%
• 300 $ – 1000 $ por kg para polvo esferoidal de plasma al 99,9 %

Los precios dependen del tamaño de la partícula, la morfología, el nivel de pureza, la cantidad del pedido y el fabricante. Las aleaciones personalizadas con composiciones especiales pueden ser incluso más costosas. Los costos han disminuido debido al aumento de los volúmenes de producción y a las mejoras del proceso.

Proveedores de polvo Ti3Al

Algunos proveedores importantes a escala mundial de polvo de Ti3Al son:

Compañía	Ubicación
AP&C	Canadá
TLS Technik GmbH	Alemania
Tecnología de Metales	Reino Unido
ATI Polvos Metálicos	EE. UU.
Carpenter Additive	EE. UU.
Met3DP	China
Tekna	Canadá

También hay algunos productores en China. Es recomendable adquirir el polvo de fabricantes establecidos que utilizan procesos de producción calificados para garantizar una calidad y propiedades confiables.

Ti3Al frente a alternativas

Ti3Al compite con varias alternativas para aplicaciones estructurales de alta temperatura:

Tabla: Comparación de la Ti3Al frente a otras aleaciones de alta temperatura

Aleación	Densidad	Temperatura máx.	Fuerza	Ductilidad	Resistencia a la oxidación	Coste
Ti3Al	Bajo	Muy alto	Alto	Bajo	Bien	Alto
Inconel 718	Alto	Alto	Medio	Medio	Bien	Medio
Haynes 230	Alto	Muy alto	Alto	Bajo	Excelente	Muy alto
Ti6Al4V	Medio	Medio	Medio	Medio	Excelente	Medio
Aceros inoxidables ferríticos	Medio	Medio	Bajo	Alto	Pobre	Bajo

Para las temperaturas máximas de servicio, Ti3Al y las superaleaciones basadas en níquel, como Haynes 230, son superiores. Sin embargo, la menor densidad y el menor costo del Ti3Al son ventajosos para aplicaciones críticas con respecto al peso, como la aeroespacial.

La escasa ductilidad a temperatura ambiente del Ti3Al sigue siendo una limitación clave con respecto a los aceros y Ti6Al4V. El desarrollo de aleaciones y procesos sigue mejorando la maquinabilidad y fabricabilidad.

Ventajas del polvo de Ti3Al

Beneficios clave de usar Ti3Al en polvo:

• Alta resistencia mantenida a 800¡«C
• Densidad 40% más ligera que las superaleaciones de níquel
• Excelente resistencia a la fluencia
• Buena resistencia a la oxidación y a la corrosión
• Sustitución de metales refractarios sin riesgos de materiales estratégicos
• Fabricación de casi forma neta con metalurgia de polvos
• Los componentes pueden funcionar a temperaturas más altas
• Ahorro de peso en piezas giratorias como aspas de turbina
• Mejora de la eficiencia mediante parámetros operativos más altos

El equilibrio único de propiedades mecánicas, baja densidad y estabilidad térmica convierten a Ti3Al en un material facilitador para sistemas de generación de potencia, automotrices y aeroespaciales de última generación.

Limitaciones del polvo de Ti3Al

A pesar de sus ventajas, el Ti3Al también tiene ciertos inconvenientes:

• Frágiles a temperatura ambiente, la ductilidad mejora por encima de los 500¡«C
• La fabricación y el maquinado son tareas exigentes
• Pérdida rápida de propiedades por debajo de 400 ºC
• Los costes de la materia prima y el procesado son muy altos
• La cadena de suministro está limitada con pocos productores
• El diseño de componentes requiere experiencia especializada en ingeniería
• No es fácil soldar o unir con técnicas convencionales
• Dificil de reciclar y reutilizar

Hasta la fecha, los obstáculos de fabricación y costo han ralentizado la amplia adopción comercial de Ti3Al. Sin embargo, sus capacidades siguen impulsando los esfuerzos de desarrollo para superar estas limitaciones mediante la mejora de la química de las aleaciones, la calidad del polvo y el diseño de los componentes.

Perspectivas para el polvo de Ti3Al

Se estima un mayor uso del Ti3Al en los sectores aeroespacial, automotriz, turbinas de gas industriales y generación de energía debido a:

• Creciente demanda de eficiencia de combustible en motores a reacción y menores emisiones
• Materiales de alta temperatura necesarios para turbocompresores eléctricos
• Creciente mercado para las tecnologías de fabricación aditiva
• Enfócate en la sustitución estratégica de materiales para las tierras raras y metales refractarios
• Reducción de costes mediante la mejora de la productividad de fabricación

Los mercados industriales y del automóvil son más sensibles al precio y requieren una ventaja demostrada en coste y rendimiento frente a las aleaciones existentes. El sector aeroespacial está más dispuesto a pagar un extra por el máximo rendimiento.

Las iniciativas gubernamentales de los EE. UU., la UE y Japón están acelerando la I+D sobre producción de polvo Ti3Al, fabricación de componentes, métodos de unión y desarrollo de aleaciones. Esto ampliará el espacio de aplicación e impulsará mayores tasas de adopción.

Preguntas Más Frecuentes

P: ¿Para qué se usa el polvo Ti3Al?

R: El polvo de Ti3Al se utiliza para fabricar componentes de alta temperatura como paletas de turbina, ruedas de turbocompresor, intercambiadores de calor y otras piezas que operan a 500-800 °C. Ofrece un excelente balance de alta resistencia, baja densidad y buena resistencia a la oxidación.

P: ¿Cómo se hace el polvo de Ti3Al?

A: Los métodos de producción más comunes incluyen la atomización de gas, la atomización de plasma, la atomización de gas de fusión por inducción de electrodos (EIGA) y la aleación mecánica. Cada proceso tiene como resultado unas características de polvo diferentes adecuadas para aplicaciones específicas.

P: ¿Es mejor el polvo de Ti3Al que la Inconel 718?

R: El Ti3Al tiene una densidad más baja, por lo que ofrece un ahorro de peso respecto al Inconel 718. Tiene una mayor resistencia a temperaturas superiores a 700 ºC. Sin embargo, la ductilidad a temperatura ambiente del Ti3Al es bastante baja, mientras que el Inconel 718 se puede fabricar y mecanizar fácilmente.

P: ¿Cuál es el costo del polvo Ti3Al?

R: El polvo Ti3Al cuesta entre 450 y 750 $ por kg, casi 5 veces más caro que las superaleaciones de níquel y 10 veces más que el titanio o los polvos de aluminio. El alto costo se debe al procesamiento complejo y a una demanda limitada del mercado.

P: ¿Cómo se manipulan y almacenan los polvos de Ti3Al?

R: Al igual que otros polvos de aleación reactivos, Ti3Al requiere un sellado con gas inerte y almacenamiento sin humedad. Solo se deben usar contenedores de cerámica, vidrio o acero inoxidable. Las precauciones de seguridad incluyen conexión a tierra, ventilación y EPP respiratorio.

P: ¿Cuáles son los retos de utilizar el polvo Ti3Al?

A: Las limitaciones clave son la escasa ductilidad a temperatura ambiente, el elevado coste del material, el limitado número de proveedores, la dificultad de mecanizado/fabricación y la falta de tecnologías de unión. Para ampliar el uso comercial se requieren mejoras en las aleaciones, el desarrollo de procesos y la optimización del diseño de los componentes.

R: ¿Cuál es la perspectiva de futuro del polvo de Ti3Al?

A: Se prevé que el uso del polvo de Ti3Al aumente considerablemente en motores aeroespaciales, turbocompresores automotrices y aplicaciones industriales de alta temperatura. Las iniciativas para reducir los costos, mejorar las propiedades y madurar la fabricación permitirán una adopción más amplia.