Comprensión de las propiedades térmicas del titanio

El titanio y sus aleaciones se utilizan ampliamente para aplicaciones estructurales en la industria aeroespacial, automotriz, de defensa, equipos deportivos y atención médica debido a su alta resistencia, bajo peso, excelente resistencia a la corrosión y propiedades generalmente estables a altas y bajas temperaturas. Sin embargo, las propiedades térmicas únicas del titanio lo hacen inadecuado para ciertas aplicaciones, mientras que sobresale en otras.

El titanio se comporta de manera algo diferente a la mayoría de los metales a temperaturas extremas, por lo que es importante comprender las propiedades térmicas del titanio antes de usarlo en dicho entorno. Por ejemplo, aunque el titanio se mantiene fuerte a altas temperaturas, no disipa fácilmente el calor, lo que puede provocar una acumulación de calor en el metal. Sin embargo, algunas aleaciones de titanio también pueden funcionar extraordinariamente bien a temperaturas criogénicas.

En esta publicación, exploraremos las propiedades térmicas del titanio a altas temperaturas y temperaturas criogénicas y cómo afectan su capacidad de desempeño en aplicaciones comunes.

Propiedades térmicas del titanio a altas temperaturas

El titanio puede funcionar bien en ambientes de temperatura extrema debido a su alto punto de fusión y resistencia a la fatiga de alto ciclo. Se prefiere en aplicaciones tales como motores de aeronaves, naves navales, naves espaciales, misiles y tuberías para centrales eléctricas debido a su excelente resistencia a la corrosión provocada por un proceso de oxidación protectora que ocurre cuando se expone a altas temperaturas. Esta temperatura de oxidación se reduce en atmósferas de oxígeno puro.

A continuación, analizamos más en profundidad las propiedades térmicas del titanio comercialmente puro y las aleaciones de titanio.

Titanio comercialmente puro

El titanio comercialmente puro tiene una alta relación resistencia-peso y es una excelente opción para usar en componentes que funcionan a altas temperaturas, ya que tiene un punto de fusión de alrededor de 3034 °F y una densidad de aproximadamente 4,5 g/cm3. Sin embargo, sus aplicaciones a veces pueden ser limitadas, ya que el titanio puede incendiarse y causar daños extremos si se expone a situaciones en las que roza con otros metales a temperaturas elevadas.

El titanio comercialmente puro es resistente a la corrosión y forma una capa protectora de óxido cuando se expone a altas temperaturas. Esto puede ser positivo cuando reacciona con el agua o a temperatura ambiente en cualquier parte de la Tierra. Sin embargo, el titanio también reacciona con el oxígeno y el carbono a altas temperaturas, lo que genera desafíos al preparar el metal, los cristales o el polvo de titanio. Si el polvo de titanio se calienta con oxígeno presente, puede convertirse en un peligro de explosión en procesos como la impresión 3D y la metalurgia de sinterización de polvo. Estas propiedades sobresalen en tuberías, pero no son adecuadas para motores a reacción y motores de cohetes.

Debido a su alta resistencia y resistencia a la fluencia, el titanio comercialmente puro puede permanecer estable a temperaturas de hasta aproximadamente 572 °F. En comparación con otros metales como el aluminio, el titanio tiene una conductividad térmica y eléctrica baja, lo que puede provocar una acumulación excesiva de calor.

El titanio no es soluble en agua y su solubilidad en hidrógeno disminuye aún más con temperaturas elevadas, lo que lo convierte en un buen candidato para reactores de fusión confinados magnéticamente. El titanio también se usa a menudo en implantes dentales y ortopédicos; sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones, a menudo se agregan otros metales al titanio para crear aleaciones más fuertes y resistentes.

Aleaciones de titanio

El titanio puro a menudo se mezcla con otros metales para crear aleaciones que proporcionan mayor resistencia a la tracción y tenacidad, incluso a altas temperaturas. Estas aleaciones se dividen en tres categorías diferentes:alfa, beta y alfa+beta. A continuación se describe una breve descripción de cada categoría de aleación de titanio.

• Aleaciones alfa contienen metales como aluminio y estaño y tienen una excepcional resistencia a la fluencia a temperaturas de hasta 1100 °F. Debido a esto, las aleaciones alfa a menudo se prefieren para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, tienen una resistencia de baja a media que no se puede aumentar con el tratamiento térmico.
• Aleaciones beta , que contienen elementos como molibdeno, vanadio y niobio, tienen una excelente capacidad de endurecimiento y pueden tratarse térmicamente fácilmente para aumentar su resistencia. Estas aleaciones tienen alta tenacidad a la fractura y son altamente forjables. Sin embargo, las aleaciones beta no pueden soportar temperaturas tan altas como las aleaciones alfa.
• Aleaciones alfa+beta también son tratables térmicamente y ofrecen una resistencia media a alta. Estas aleaciones también pueden funcionar a temperaturas más altas que los grados de titanio comercialmente puros y tienen una resistencia a la fluencia de hasta 500-800 °F.

Algunas aleaciones de titanio con complejidades más altas muestran una alta resistencia a temperaturas de hasta alrededor de 932 °F. Las aleaciones de titanio también suelen tener conductividades térmicas más bajas que el titanio comercialmente puro.

Propiedades térmicas del titanio a temperaturas criogénicas

El titanio y sus aleaciones también se diferencian de otros metales en que algunos de ellos pueden mantener su resistencia y ductilidad increíblemente bien a temperaturas criogénicas. En particular, las aleaciones alfa son adecuadas para aplicaciones criogénicas debido a la ausencia de la transición de dúctil a frágil que se presenta en las aleaciones beta. Las aleaciones beta generalmente no se consideran para su uso en entornos con temperaturas criogénicas debido a esta transición de dúctil a frágil. Sin embargo, las aleaciones alfa-beta, que contienen estructuras cristalinas de fase alfa y beta, también tienen características de alta resistencia en entornos criogénicos. En particular, la aleación Ti-6Al-4V alfa+beta se puede usar a temperaturas criogénicas de hasta alrededor de 800 °F y se usa para muchas piezas de fuselaje y motor.

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