Polvo de Ti3Al: Composición, propiedades, aplicaciones y más

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

• Alta resistencia a temperaturas elevadas de hasta 750°C
• Densidad aproximadamente la mitad que las superaleaciones de níquel
• Excelente resistencia a la corrosión
• Baja densidad en comparación con otras aleaciones de titanio
• Resistencia a la oxidación hasta unos 700°C
• Resistencia al desgaste
• Biocompatibilidad

Sin embargo, el Ti3Al también tiene limitaciones, como la escasa ductilidad a temperatura ambiente, la baja tenacidad a la fractura y la escasa soldabilidad. Para optimizar el equilibrio de propiedades en las distintas aplicaciones, es necesario un tratamiento y una aleación adecuados.

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

Composición del polvo Ti3Al

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

La composición exacta puede variar en función 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 determinadas propiedades. La tabla siguiente muestra la gama de composición típica:

Elemento	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%
Tántalo (Ta)	0 – 5%
Tungsteno (W)	0 – 5%
Carbono (C)	0 – 0.1%
Oxígeno (O)	0 – 0.2%

Controlar el contenido de oxígeno y carbono es fundamental para evitar la fragilización y mantener la ductilidad. También pueden estar presentes otros oligoelementos en función de las materias primas y el proceso.

Propiedades del polvo de Ti3Al

Las propiedades únicas del polvo Ti3Al se derivan de su estructura cristalina intermetálica ordenada, formada por átomos de titanio y aluminio. Algunas de sus propiedades más destacadas son:

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 adecuado para aplicaciones a temperaturas elevadas en motores, turbinas, válvulas, etc. En la tabla siguiente se compara la resistencia del Ti3Al con la de otras aleaciones de titanio a diferentes temperaturas:

Aleación	Temperatura ambiente Resistencia (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 en torno a 3,7 - 4,1 g/cm3, el Ti3Al es mucho más ligero que las superaleaciones de níquel y la mayoría de las demás aleaciones de titanio. Esto ayuda a reducir el peso de los componentes, algo crítico en las aplicaciones aeroespaciales.

Resistencia a la oxidación

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

Resistencia a la corrosión

El contenido de titanio confiere al Ti3Al una excelente resistencia a la corrosión frente a una amplia gama de ácidos, álcalis y ambientes salinos. Esto lo hace útil en equipos de procesamiento químico.

Resistencia al desgaste

El Ti3Al tiene una buena resistencia a la abrasión y a la erosión, comparable a la de los aceros, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de gran desgaste como válvulas, bombas y matrices de extrusión.

Sin embargo, el Ti3Al también sufre desventajas como:

• Escasa ductilidad a temperatura ambiente y tenacidad a la fractura
• Difícil de fabricar y mecanizar
• Mala soldabilidad debido a la susceptibilidad al agrietamiento

Para optimizar el equilibrio de las propiedades en función de la aplicación prevista, es necesario un tratamiento y una aleación adecuados.

Aplicaciones del polvo de Ti3Al

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

Aeroespacial

La industria aeroespacial es la mayor consumidora de productos de Ti3Al debido a la necesidad de ahorrar peso, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la oxidación. Entre las aplicaciones típicas se incluyen:

• Álabes, paletas y discos de turbina
• Cámaras de combustión, postcombustión
• Airframes, componentes estructurales
• Tubos hidráulicos, válvulas

Automoción

La industria automovilística utiliza Ti3Al para componentes de turbocompresores, válvulas, muelles, fijaciones y piezas de sistemas de escape que requieren resistencia a altas temperaturas y menor peso.

Procesado químico

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

Biomédica

La biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y solidez del Ti3Al lo hacen adecuado para implantes ortopédicos como las articulaciones artificiales de cadera.

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

Especificaciones del polvo Ti3Al

El polvo de Ti3Al está disponible en diferentes gamas de tamaños, morfologías y niveles de pureza en función del proceso de producción. A continuación se indican las especificaciones clave:

Especificación	Detalles
Tamaño de las partículas	15 - 150 micras
Morfología	Esférico, angular, mixto
Densidad aparente	2 - 3,5 g/cm3
Densidad del grifo	3 - 4,5 g/cm3
Pureza	≥99%, ≥99.9%
Contenido de oxígeno	≤ 0,2 wt%
Contenido en nitrógeno	≤ 0,05 wt%
Contenido en carbono	≤ 0,08 wt%
Contenido en hierro	≤ 0,30 wt%
Contenido en níquel	≤ 0,10 wt%
Envases estándar	5kg, 10kg, 25kg

Los tamaños de partícula más finos suelen mejorar la fluidez, la densidad de empaquetamiento y la reactividad. Las morfologías esféricas también mejoran la fluidez del polvo. Una mayor pureza reduce los contaminantes y mejora las propiedades.

Producción de polvo de Ti3Al

Existen varios métodos para producir polvo de Ti3Al, entre ellos:

• Atomización de gases - La aleación de Ti-Al fundida se atomiza con gas inerte en finas gotitas que se solidifican en polvo. Esto produce partículas esféricas con buena fluidez.
• Aleación mecánica - Los polvos elementales de Ti y Al se muelen con bolas para sintetizar mecánicamente el compuesto intermetálico. Las partículas de polvo tienen formas irregulares.
• Esferoidización del plasma - El polvo irregular de Ti3Al procedente de la aleación mecánica se refunde en un plasma para generar polvo esférico.
• Atomización de gases de fusión por inducción de electrodos (EIGA) - Funde y atomiza directamente un electrodo de Ti3Al para producir polvo.

La atomización con gas y el procesamiento con plasma permiten un mejor control de la distribución del tamaño de las partículas, la morfología, la captación de oxígeno y la microestructura. Por lo general, el polvo debe tamizarse en fracciones de tamaño específico tras la producción en función de los requisitos de la aplicación.

Coste del polvo Ti3Al

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

• $100 - $500 por kg para polvo atomizado con gas de pureza 99%
• $50 - $250 por kg para polvo de aleación mecánica 99%
• $300 - $1000 por kg para polvo esferoidizado de plasma 99,9%

Los precios dependen del tamaño de las partículas, la morfología, el grado de pureza, la cantidad del pedido y el fabricante. Las aleaciones personalizadas con composiciones especiales pueden costar incluso más. Los costes han ido disminuyendo gracias al aumento de los volúmenes de producción y a las mejoras del proceso.

Proveedores de Ti3Al en polvo

Algunos de los principales proveedores mundiales de polvo de Ti3Al son:

Empresa	Ubicación
AP&C	Canadá
TLS Technik GmbH	Alemania
Tecnología del metal	REINO UNIDO
ATI Polvos Metálicos	EE.UU.
Aditivo para carpinteros	EE.UU.
Met3DP	China
Tekna	Canadá

También hay algunos productores en China. Se recomienda abastecerse de polvo de fabricantes establecidos que utilicen procesos de producción cualificados para garantizar una calidad y unas propiedades fiables.

Ti3Al frente a alternativas

El Ti3Al compite con varias alternativas para aplicaciones estructurales a alta temperatura:

Tabla: Comparación de Ti3Al con otras aleaciones de alta temperatura

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

Para temperaturas de servicio máximas, el Ti3Al y las superaleaciones con base de níquel como Haynes 230 son superiores. Sin embargo, la menor densidad y coste del Ti3Al son ventajosos para aplicaciones de peso crítico como la aeroespacial.

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

Ventajas del polvo Ti3Al

Entre las principales ventajas de utilizar polvo de Ti3Al se incluyen:

• Alta resistencia mantenida hasta 800°C
• Densidad 40% inferior a las superaleaciones de níquel
• Excelente resistencia a la fluencia
• Buena resistencia a la oxidación y la corrosión
• Sustitución de metales refractarios sin riesgos materiales estratégicos
• Fabricación de formas casi netas con pulvimetalurgia
• Los componentes pueden funcionar a temperaturas más elevadas
• Ahorro de peso en piezas giratorias como los álabes de las turbinas.
• Mayor eficiencia gracias a unos parámetros de funcionamiento más elevados

El equilibrio único entre propiedades mecánicas, baja densidad y estabilidad térmica hacen del Ti3Al un material idóneo para la próxima generación de sistemas aeroespaciales, de automoción y de generación de energía.

Limitaciones del polvo de Ti3Al

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

• Quebradizo a temperatura ambiente, la ductilidad mejora por encima de 500°C
• La fabricación y el mecanizado suponen un reto
• Rápida pérdida de propiedades por debajo de 400°C
• Los costes de las materias primas y la transformación son muy elevados
• La cadena de suministro es limitada, con pocos productores
• El diseño de componentes requiere conocimientos especializados de ingeniería
• No se sueldan ni unen fácilmente con técnicas convencionales
• Difícil de reciclar y reutilizar

Hasta la fecha, los obstáculos de fabricación y coste han frenado la adopción comercial generalizada del Ti3Al. Pero 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 del polvo de Ti3Al

Se prevé que el Ti3Al se utilice cada vez más en los sectores aeroespacial, automovilístico, de turbinas de gas industriales y de generación de energía debido a:

• Aumento de la demanda de motores a reacción más eficientes y con menos emisiones
• Materiales de alta temperatura necesarios para los turbocompresores eléctricos
• Creciente mercado de tecnologías de fabricación aditiva
• Sustitución estratégica de tierras raras y metales refractarios
• Reducción de costes gracias a la mejora de la productividad de fabricación

Los mercados de la automoción y la industria son más sensibles a los precios y exigen que se demuestre la ventaja coste-rendimiento frente a las aleaciones existentes. El sector aeroespacial está más dispuesto a pagar una prima por el máximo rendimiento.

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

Preguntas frecuentes

P: ¿Para qué se utiliza el polvo de Ti3Al?

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

P: ¿Cómo se fabrica el polvo de Ti3Al?

R: Los métodos de producción habituales incluyen la atomización con gas, la atomización con plasma, la atomización con gas de fusión por inducción de electrodos (EIGA) y la aleación mecánica. Cada proceso da lugar a diferentes características del polvo adecuadas para aplicaciones específicas.

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

R: El Ti3Al tiene menor densidad, por lo que permite ahorrar peso con respecto al Inconel 718. Tiene mayor resistencia a temperaturas superiores a 700 °C. Sin embargo, la ductilidad a temperatura ambiente del Ti3Al es bastante baja, mientras que el Inconel 718 puede fabricarse y mecanizarse fácilmente.

P: ¿Cuánto cuesta el polvo de Ti3Al?

R: El polvo de Ti3Al cuesta alrededor de $450-750 por kg, lo que es casi 5 veces más caro que las superaleaciones de níquel y 10 veces más que los polvos de titanio o aluminio. Su elevado coste se debe a la complejidad de su procesamiento y a la limitada demanda del mercado.

P: ¿Cómo se manipula y almacena el polvo de Ti3Al?

R: Al igual que otras aleaciones reactivas en polvo, el Ti3Al requiere un recubrimiento de gas inerte y un almacenamiento sin humedad. Sólo deben utilizarse recipientes de cerámica, vidrio o acero inoxidable. Las precauciones de seguridad incluyen conexión a tierra, ventilación y EPI respiratorio.

P: ¿Qué dificultades plantea el uso de polvo de Ti3Al?

R: Las principales limitaciones son la escasa ductilidad a temperatura ambiente, el elevado coste de los materiales, el número limitado de proveedores, la dificultad de mecanizado/fabricación y la falta de tecnologías de unión. Es necesario mejorar las aleaciones, desarrollar los procesos y optimizar el diseño de los componentes para ampliar su uso comercial.

P: ¿Qué perspectivas de futuro tiene el polvo de Ti3Al?

R: Se prevé que el uso de polvo de Ti3Al aumente significativamente en motores aeroespaciales, turbocompresores de automoción y aplicaciones industriales de alta temperatura. Las iniciativas para reducir costes, mejorar las propiedades y madurar la fabricación permitirán una adopción más amplia.