Polvo de aleación de TiNb

Introducción al polvo de aleación de TiNb

El polvo de la aleación TiNb está compuesto de titanio y Niobio metales. Ofrece una combinación única de gran resistencia, baja densidad, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión, a la fatiga y a la fluencia a altas temperaturas.

Las aleaciones de TiNb forman parte de una clase más amplia de materiales intermetálicos de titanio que poseen propiedades físicas, mecánicas y químicas superiores en comparación con el titanio puro. La adición de niobio como elemento de aleación mejora ciertas propiedades y permite adaptar las aleaciones de TiNb a aplicaciones específicas.

Algunas ventajas clave del polvo de aleación de TiNb incluyen:

• Alta relación resistencia-peso
• Capacidad de soportar temperaturas extremas y tensiones
• Resiste al desgaste, la abrasión y la corrosión en condiciones adversas
• Biocompatible y no tóxica para usos médicos
• Se puede procesar en formas complejas mediante la manufactura aditiva
• Proporciona flexibilidad de diseño para ingenieros.

Las aleaciones de TiNb compiten con las superaleaciones basadas en níquel y cobalto en la industria aeroespacial. También ofrecen una alternativa a los aceros inoxidables para implantes y dispositivos biomédicos. Las aleaciones de TiNb permiten nuevas aplicaciones y diseños que no son posibles con otros materiales.

Este artículo ofrece una referencia técnica que cubre la composición, las propiedades, el procesamiento, las aplicaciones, las especificaciones, los costos y otros aspectos prácticos del polvo de aleación TiNb.

Composición del polvo de aleación de TiNb

Las aleaciones Nb-Ti contienen principalmente titanio y niobio como elementos constituyentes clave. El contenido de niobio normalmente oscila entre 10% y 50% en peso, siendo el resto titanio.

Se puede ajustar el cociente de Ti a Nb para crear diferentes grados de aleaciones de TiNb optimizadas para determinadas propiedades. Algunas clases de TiNb comunes incluyen:

• Ti-10Nb - 10% niobio, 90% titanio
• Ti-35Nb: 35% niobio, 65% titanio
• Ti-45Nb – 45% niobio, 55% titanio
• Ti-50Nb - 50 % niobio, 50 % titanio

Además, se pueden añadir pequeñas cantidades de otros elementos como el circonio, el tantalio, el molibdeno y el cromo para mejorar aún más las propiedades. El oxígeno y el nitrógeno también pueden estar presentes como impurezas.

Tabla 1: Composición química de los grados habituales de aleaciones de TiNb

Grado de aleación	Contenido de niobio	Contenido de Titanio
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

El control de la composición es crucial para lograr las propiedades deseadas en el producto final de aleación de TiNb. Las técnicas de pulvimetalurgia permiten mezclar con precisión los metales constituyentes en una materia prima de polvo de aleación.

Propiedades del polvo de TiNb

Las aleaciones de TiNb muestran un rango de propiedades físicas, mecánicas y químicas útiles que las hacen aptas para aplicaciones de alto rendimiento. Algunas de las propiedades clave incluyen:

Propiedades físicas

• Densidad: 4,5 a 5,5 g/cm3, inferior a las aleaciones de acero y níquel
• Punto de fusión: 1550 a 1750 según la composición
• Resistividad eléctrica; 0,5 a 0,6 µΩ.m, más alta que el titanio puro
• Conductividad térmica: de 6 a 22 W/m·K, menor que el titanio

Propiedades Mecánicas

• Resistencia a la tracción - De 500 a 1100 MPa, aumenta con el contenido de niobio
• Resistencia al rendimiento: de 300 a 900 MPa
• Alargamiento: entre un 10 % y un 25 %
• Dureza: de 200 a 350 HV
• Resistencia a la fatiga – De 400 a 600 MPa

Otras propiedades

• Resistencia a la corrosión: Excelente debido a capa de óxido protectora
• Resistencia al desgaste – mejor que el titanio debido a la dureza
• Biocompatibilidad – No tóxico ni alergénico

Ajustando la relación Ti/Nb, se pueden optimizar propiedades como resistencia, ductilidad, dureza y módulo de elasticidad según los requisitos de la aplicación.

Tabla 2: Propiedades típicas de la aleación Ti-35Nb

Propiedad	Valor
Densidad	5,2 g/cm3
Punto de Fusión	1600 a. C.
Resistencia a la tensión	650 MPa
Resistencia elástica	550 MPa
Elongación	15%
Módulo de Elasticidad	60 GPa
Dureza	250 HV

Aplicaciones de la aleación en polvo TiNb

Las propiedades únicas de las aleaciones de TiNb las hacen adecuadas para aplicaciones exigentes en varias industrias:

Aeroespacial

• Componentes del motor: álabes, discos, cierres
• Partes del fuselaje – tren de aterrizaje, alas, fuselaje
• Sistemas hidráulicos: bombas, válvulas, accionamientos

Automovilístico

• Resortes de válvula, válvulas del motor
• Bielas, rotores del turbocompresor
• Componentes de coches de carreras

Biomédica

• Implantes ortopédicos - rodilla, cadera
• Implantes dentales, coronas
• Instrumental quirúrgico
• Dispositivos médicos

Industria química

• Intercambiadores de calor, reactores
• Bombas, válvulas, tuberías
• Equipos resistentes a la corrosión

Otras aplicaciones

• Artículos deportivos: palos de golf, cuadros de bicicletas
• Relojes y joyas de alta gama
• Contactos y conectores eléctricos
• Piezas para hornos de alta temperatura

La combinación de fuerza, resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad permite que las aleaciones TiNb reemplacen materiales más pesados en estas industrias.

Tabla 3: Aplicaciones de la aleación de TiNb por industria

Industria	SOLICITUDES
Aeroespacial	Componentes del motor, partes del fuselaje, sistemas hidráulicos
Automovilístico	Resortes de válvulas, válvulas de motor, bielas
Biomédica	Implantes, instrumentales quirúrgicos dentales, dispositivos
Químico	Intercambiadores de calor, reactores, bombas, válvulas
Otro	Artículos deportivos, relojes, contactos eléctricos, partes de horno

Procesamiento de polvo de aleación TiNb

El polvo de aleación TiNb puede producirse mediante distintas rutas de procesamiento:

Mezcla de polvo de metal

• los polvos elementales de titanio y niobio se mezclan en la composición requerida
• la mezcla de polvo mezclado es mecánicamente aliada para formar el polvo de aleación de TiNb

Atomización de gas

• aleación de TiNb fundida se atomiza con un gas inerte en gotas finas
• las gotitas se solidifican en partículas esféricas de polvo de aleación

Proceso de electrodo giratorio de plasma (PREP)

• La barra de electrodo de TiNb se funde a través de arco de plasma y gira a altas velocidades
• la fuerza centrífuga hace que las gotitas se desprendan y solidifiquen en partículas

Método de hidruro-dehidruro (HDH)

• Los metales Ti y Nb se convierten en polvos de hidruros quebradizos
• Los hidruros en polvo se mezclan, deshidratan, aplastan y tamizan

El tamaño de las partículas, la morfología, la fluidez y la microestructura del polvo se pueden controlar seleccionando el proceso de fabricación adecuado. Esto influye las propiedades finales después de la consolidación.

Cuadro 4: Métodos de producción de polvo de aleación de TiNb

Método	Descripción	Tamaño de partícula	Morfología
Aleación Mecánica	Mezcla y molienda de polvos de Ti y Nb	10–50 micrones	Irregular, angular
Atomización de gas	Atomización de gas inerte de aleación fundida	15 - 150 micrones	Esférico
Electrodo de plasma giratorio	Desintegración centrífuga del electrodo fundido	50 - 150 micras	Esférico
El proceso del HDH	Hiburación, deshiburación, trituración de polvos mezclados	10-63 micras	Irregular, angular

Consolidación del polvo de aleación TiNb

El polvo de aleación de TiNb se puede convertir en componentes de densidad completa mediante diversas técnicas de consolidación de metalurgia de polvos:

Prensado isostático en caliente (HIP)

• el polvo encapsulado se procesa en alta presión isostática (HIP) a alta temperartaura y presión

Sinterización por vacío

• el polvo se compacta y sinteriza en un horno de vacío

Sinterización por plasma de chispa

• el polvo se calienta y comprime simultáneamente mediante corriente CC pulsante

Moldeo por Inyección de Metal (MIM)

• polvo se mezcla con aglutinante, se moldea, se desliga y se sinteriza

fabricación aditiva

• fusión en lecho de polvo (SLM, EBM) o deposición dirigida de energía (DED)

El sinterizado por cadera y el sinterizado por vacío pueden lograr una densidad casi completa al tiempo que retienen una microestructura fina. La fabricación aditiva ofrece una mayor libertad geométrica. El proceso de consolidación se puede optimizar para lograr las propiedades deseadas.

Tabla 5: Técnicas de consolidación de polvo de aleación TiNb

Método	Descripción	Densidad	Microestructura	Geometría
CADERA	Alta presión, alta temperatura	Cerca de la densidad total	Bien	Formas simples
Sinterización por vacío	Sinterización en horno de vacío	Cerca de la densidad total	Bien	Formas simples
Sinterización por plasma de chispa	Corriente e impulso de presión	Totalmente reflexivo	Ultrafino	Formas simples
Moldeo por inyección de metal	Moldeo por polvos + aglutinantes	Cerca de la densidad total	Ultrafino	Formas complejas
fabricación aditiva	Fusión de lecho de polvo o deposición de energía dirigida	Cerca de la densidad total	Grueso	Formas complejas

Especificaciones del polvo de aleación de TiNb

El polvo de aleación de TiNb está disponible en varias especificaciones adaptadas a diferentes aplicaciones:

Composiciones: Calificaciones con 10% a 50% de contenido de niobio

Tamaño de las partículas: 10 a 150 micrones

Morfología: Esferoide, irregular o mezclado

Método de producción: Gas atomizado, HDH, elemental mezclado

Pureza: >99,5 % titanio y >99,8 % niobio

Contenido de Oxígeno: < 2000 ppm

Fluidez: Caudal del pasillo > 23 seg/50g

Densidad aparente: ¡Ô 2.5 g/cc

Densidad del grifo: O 3.5 g/cc

La composición química, la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, el caudal y la densidad son las propiedades que generalmente se especifican. Se pueden fabricar aleaciones y especificaciones de polvo personalizadas para aplicaciones específicas.

Tabla 6: Especificación típica del polvo de Ti-35Nb atomizado por gas

Parámetro	Especificación
Composicion de aleación	Ti-35Nb
Tamaño de partícula	De 15 a 45 micras
Morfología	Esférico
Método de producción	Atomización de gas
Pureza	Ti > 99,5 %, Nb > 99,8 %
Contenido de Oxígeno	<1500 ppm
Flujo de velocidad	> 38 seg/50 g
Densidad aparente	Ô 2.7 g/cc
Densidad de golpecito	¡Ô 4,2 g/cc

Proveedores de polvo de aleación de TiNb

Algunos de los principales proveedores globales de polvo de aleación de niobio y titanio son:

• AP&C - polvos de aleación de titanio y niobio
• Atlantic Equipment Engineers - polvos esféricos y angulares
• TLS Technik: aleaciones de TiNb atomizadas con gas
• Metal Technology – polvos elementales mezclados y preimpalantados
• Sandvik Osprey: polvos esféricos atomizados con gas
• Carpenter Additive: polvos de aleación personalizados

Los proveedores de metales de titanio y niobio también ofrecen aleaciones de TiNb. Estos productores de polvo pueden proporcionar tanto aleaciones estandarizadas como composiciones personalizadas.

Tabla 7: Proveedores de polvo de aleación de TiNb

Compañía	Materiales	Métodos de producción
AP&C	Aleaciones de Ti, Nb y TiNb	Atomización de gas
Ingenieros de Equipos Atlánticos	Aleaciones de Ti, Nb y TiNb	Atomización de gas, mezcla
TLS Technik	Aleaciones de TiNb	Atomización de gas
Tecnología de Metales	Aleaciones de TiNb	Elemental mezclado, prealeado
Sandvik Osprey	Aleaciones de TiNb	Atomización de gas
Carpenter Additive	Aleaciones personalizadas de TiNb	Atomización de gas

Costo del polvo de aleación TiNb

El polvo de aleación TiNb es más caro que el polvo de titanio o niobio por separado. El costo depende de:

• Composición: un mayor contenido de Nb aumenta el coste
• Pureza – el aumento de los costes de la pureza
• Tamaño de partícula y distribución
• Método de producción: los polvos atomizados por gas son más costosos
• Cantidades pedidas: a volúmenes mayores les corresponden costos menores

Precios orientativos del polvo de aleación de TiNb en pequeñas cantidades:

• Ti-10Nb: de 100 a 300 dólares por kg
• Ti-35Nb: 200 a 500 dólares por kg
• Ti-50Nb: $300 a $800 por kg

El precio se reduce significativamente para pedidos al por mayor de cientos de kilos o varias toneladas.

Tabla 8: Precios orientativos de los polvos de aleación TiNb

Aleación	Precio ($/kg)
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

Manipulación y almacenamiento de polvo de aleación de TiNb

Como polvo metálico reactivo, se debe tener cuidado al manipular polvo de aleación TiNb:

• Almacenar en recipientes sellados en una atmósfera seca e inerte para evitar la oxidación y la contaminación
• Evitar el contacto con oxígeno, humedad, aceites, materiales combustibles
• Evite la acumulación de polvos finos en superficies o equipos
• Conectar a tierra los equipos conductores que se utilizan en la manipulación.
• Utilice herramientas antichispas y minimice la generación de polvo
• Use guantes y protección respiratoria al manipular
• Utiliza sistemas de ventilación a nivel del suelo y evita las nubes de polvo
• Mantener alejado de fuentes de calor, llamas, chispas y fuentes de ignición
• Siga la hoja de datos de seguridad para obtener los EPP adecuados y precauciones

Si se almacena correctamente en una atmósfera inerte y seca, el polvo de aleación de TiNb tiene una vida útil típica de 12 meses. Las condiciones de almacenamiento inadecuadas pueden provocar oxidación, pérdida de fluidez o riesgos de ignición.

Tabla 9: Directrices de manejo del polvo de aleación TiNb

Parámetro	Pautas
Almacenamiento	Contenedores sellados, atmósfera seca e inerte
Atmósfera	Evitar el oxígeno, la humedad, los aceites y los combustibles
Equipamiento	Conectar a tierra (ground) todo el equipo conductor
Herramientas	Utiliza herramientas no generadoras de chispas
Ventilación	Sistema de ventilación fundamental
EPI	Guantes, protección respiratoria
Precauciones	Evite el calor, llamas y centellas
Vida útil	12 meses en atmósfera inerte

Hoja de datos de seguridad para el polvo de aleación de TiNb

Como otros polvos de metales reactivos, algunas precauciones de seguridad importantes para la aleación de TiNb:

• Use EPP – guantes, protección para los ojos, mascarilla o respirador
• Evitar la inhalación de polvos. Utilice equipo de protección respiratoria
• Evite el contacto con la piel y los ojos
• Lávese bien las manos después de manipular el polvo
• Evitar fuentes de ignición, los polvos pueden ser inflamables
• Utilizar la puesta a tierra y la ventilación adecuadas
• Ambiente de almacenamiento inerte para evitar la oxidación
• Evite los derrames y la acumulación de polvo sobre las superficies
• Seguir las instrucciones que figuran en las FDS y en las etiquetas de advertencia

Primeros auxilios:

• Inhalación: traslada a la persona al aire fresco. Si es necesario, busca asistencia médica.
• Contacto con la piel: Lávese con agua y jabón. Busque ayuda si persiste la irritación.
• Contacto con los ojos: Lavar los ojos con agua durante 15 minutos. Obtenga atención médica.
• Ingestión: Beber agua. Obtener asistencia médica si se producen molestias.

Consulte siempre la SDS del proveedor para información completa sobre seguridad y salud antes de manipular y procesar el polvo de aleación TiNb.

Tabla 10: Medidas clave de seguridad para polvo de aleación TiNb

Elemento de seguridad	Precauciones
EPI	Guantes, gafas, mascarilla N95
Inhalación	Utilizar protección respiratoria
Contacto con la piel	Lavar el área afectada con agua y jabón
Contacto visual	Enjuagar los ojos con agua durante 15 minutos
Ingestión	Beba agua. Busque ayuda médica si es necesario.
Ventilación	Utilizar campanas de ventilación a tierra
Fundamento	Conecte a tierra todos los equipos durante su manipulación
Ignición	Evite chispas, llamas, fuentes de calor
Almacenamiento	Atmosfera inerte lejos de materiales inflamables

Inspección de calidad del polvo de aleación TiNb

Para garantizar que el polvo de aleación de TiNb cumpla con las especificaciones, se realizan varios controles de calidad:

• Análisis químico?- Análisis ICP, GDMS o LECO para verificar la composición y pureza
• Análisis del tamaño de las partículasAnálisis láser de difracción o tamizado para distribución de tamaño
• Morfología?- Imágenes SEM para comprobar la forma de la partícula y la topología de la superficie
• Flujo de velocidad?- Ensayo del medidor de flujo del pasillo para determinar la capacidad de flujo del polvo
• Densidad?- mediciones de densidad aparente y densidad de golpecitos
• Oxígeno - Nitrógeno- Análisis de fusión de gas inerte para impurezas intersticiales
• Identificación de fase?- Análisis XRD para determinar las fases presentes

Las propiedades del polvo se prueban en cada lote para cumplir con los estándares de calidad como ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1. El polvo se puede mezclar entre lotes para lograr uniformidad.

Tabla 11: Métodos de prueba para el polvo de aleación TiNb

Prueba	Método	Estándar
Composición	ICP, GDMS, LECO	ASTM E1479, ASTM E2330
Distribución de granulometría	Difracción láser, tamizado	ASTM B822
Morfología	Imágenes SEM	ASTM B822
Flujo de velocidad	Medidor de caudal tipo Hall	ASTM B213
Densidad	Voltímetro Scott	ASTM B212
Oxígeno - Nitrógeno	Fusión de gas inerte	ASTM E1019
Análisis de fase	Difracción de rayos X	ASTM E1876

Aplicaciones médicas de la aleación de TiNb

Debido a su biocompatibilidad, alta resistencia y bajo módulo, las aleaciones de titanio y niobio se utilizan ampliamente en implantes y dispositivos médicos:

Implantes ortopédicos

• Reemplazo de rodilla y cadera
• Placas óseas, tornillos
• Dispositivos de fijación espinal
• Implantes y puentes dentales

Las aleaciones de TiNb como Ti-35Nb y Ti-45Nb coinciden con el módulo elástico del hueso humano y proporcionan una alta resistencia a la fatiga. Esto reduce el blindaje de tensión en comparación con las aleaciones de titanio más rígidas.

Dispositivos cardiovasculares

• Stents
• Carcasas de marcapasos
• Guías
• Instrumental quirúrgico

La resistencia a la corrosión, la no toxicidad y el no magnetismo de las aleaciones de TiNb las hacen adecuadas para dispositivos que entran en contacto con sangre y tejidos.

Grados de aleación de TiNb para uso médico

• Ti-10Nb a Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta para propiedades ajustadas
• Normas ISO 5832-11 y ASTM F2066

Los valores inferiores de módulo Ti-35Nb y Ti-45Nb se utilizan con frecuencia. El Nb más alto fortalece pero aumenta el módulo. Las adiciones pequeñas de Zr/Ta adaptan aún más las propiedades.

Ventajas de las aleaciones de TiNb para uso biomédico

• Excelente biocompatibilidad y osteointegración
• Alta resistencia y resistencia a la fatiga
• Módulo bajo cerca del hueso
• No tóxico, no alergénico
• Resistente a la corrosión
• No magnético

Las aleaciones de TiNb proporcionan la mejor combinación de resistencia, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y módulo de elasticidad para los implantes.

Retos de los componentes médicos de aleación TiNb

• Mecanización y fabricación difíciles
• Más costoso que la aleación Ti-6Al-4V
• Requiere control de calidad y pruebas rigurosos
• Los datos clínicos a más largo plazo aún siguen evolucionando

Siendo relativamente nuevos para uso médico, la fabricación y autorización de componentes de TiNb puede ser más compleja. Pero sus ventajas superan los desafíos a corto plazo.

Usos automotrices de la aleación TiNb

La gran resistencia, resistencia a la temperatura y vida de fatiga de las aleaciones TiNb las hacen atractivas para piezas de automoción:

Muelles de válvulas

• Mayor fuerza permite menor masa de resorte
• Reduce el flotamiento de la válvula a altas RPM
• Permite una mayor salida de potencia

Válvulas del motor

• Resiste a gases de escape de alta temperatura
• Resiste el desgaste y la deformación
• Ligero

Bielas

• Alta relación resistencia-peso
• Reduce la masa recíproca
• Permiten mayores RPMs y potencia

Rotores de Turbocargador

• Mantiene la resistencia a temperaturas altas
• Resiste la deformación por fluencia
• Resistencia al choque térmico
• Baja densidad

Componentes de coches de carreras

• Suspensión ligera, piezas de chasis
• Vida útil a la fatiga superior

Masa y inercia reducidas combinadas con resistencia a la temperatura y la fatiga que logran una mayor eficiencia y desempeño del motor.

Desafíos de las aleaciones de TiNb para la industria automotriz

• Alto costo en comparación con las aleaciones de acero
• Dificultades de procesamiento con metalurgia de polvos
• Proveedores limitados y experiencia de fabricación
• Índice de coste-beneficio incierto

Es posible que los beneficios justifiquen inicialmente precios superiores para vehículos de alta gama y deportes de motor. Una adopción más amplia depende de que los productores de polvo de TiNb reduzcan los costos.

Aplicaciones aeroespaciales de las aleaciones de TiNb

Las aleaciones de TiNb compiten con las superaleaciones de níquel para aplicaciones de motores de aeronaves y fuselajes que necesitan resistencia a bajas temperaturas:

Componentes del motor

• Aspas de turbina, discos, carcasas
• Álabes compresores
• Ejes, sujetadores
• Inversores de empuje

Piezas estructurales

• Tren de aterrizaje
• Alas, costillas, longerones
• Marcos de fuselaje
• Tubería hidráulica

Beneficios

• 30%-50% menor densidad que las superaleaciones de níquel
• Ahorra peso
• Similar resistencia y resistencia a la fluencia
• Soporta altas presiones y temperaturas

Desafíos