Procesos de elaboración de superaleaciones base titanio

Las técnicas de elaboración más comunes por las cuales se pueden llevar a cabo la fabricación de superaleaciones base titanio son las siguientes:

- 140 - • Pulvimetalurgia.

• Efecto superplástico.

Fusión en vacío

Primero que nada hay que señalar que la obtención de superaleaciones de titanio mediante fundición directa no es aconsejable para estas, debido a que pueden contener cantidades importantes de gas incluido, debido a la elevada avidez del titanio por los elementos intersticiales (oxígeno, nitrógeno, carbono, hidrógeno) produciendo su incorporación un aumento muy brusco de la resistencia mecánica y un descenso muy importante en la ductilidad, adquiriéndose un comportamiento frágil. Por lo tanto es aconsejable llevar el proceso de fusión al vacío, lo cual se llama así por no haber presencia de atmósfera.

La fusión al vacío permite el procesamiento de metales cuyas propiedades se degradarían si se funden en la atmósfera.

En el proceso de fusión al vacío, los metales son contenidos en un cilindro, encerrado en una charola que se llama crisol (generalmente de grafito) y se lleva a un vacío. Los metales se funden mediante el choque de un arco entre un electrodo cargado y los metales, formando así una mezcla en estado líquido. Entonces el crisol se rodea de agua que enfría la mezcla en una proporción controlada, para que finalmente se obtenga la aleación ya en estado sólido.

Al realizar este proceso en un vacío, se evita la incorporación de impurezas, que aparecen durante el proceso en crisoles de cerámica.

Ventajas del proceso

• La tasa de solidificación del material fundido puede controlarse meticulosamente.

• En condiciones de vacío, las impurezas escapan de la mezcla líquida a la cámara de vacío.

• Reduce la necesidad de materiales a gran escala y gastos laborales.

El desarrollo de esta técnica permite hoy en día de un control muy preciso de la composición química de las superaleaciones y de la contaminación.

Pulvimetalurgia

La pulvimetalurgia ha alcanzado hoy en día gran importancia en la preparación de superaleaciones de titanio alcanzando características especiales, y está basado en la compactación y sinterización de pequeñas partículas de la aleación. En este proceso, se preparan las aleaciones mezclando los materiales secos en polvo, prensándolos a alta presión y calentándolos después a temperaturas justo por debajo de sus puntos de fusión, con el fin de eliminar la porosidad. El resultado es una aleación sólida sin heterogeneidades en la composición química, y se obtienen microestructuras homogéneas controladas, ya que se evitan los rechupes (contracciones de volumen producidos en la solidificación).

Efecto superplástico

Las superaleaciones de titanio pueden fabricarse gracias a su superplasticidad. Esto no quiere decir que se ponga blando, si no que a un esfuerzo muy grande, cuando el titanio puro normalmente se rompería, la aleación empieza a experimentar deformación. Se puede deformar hasta unas 15 veces, o sea un 1500% sin romperse. La razón de este comportamiento radica en que los granos muy pequeños se deforman lentamente y se deslizan unos respecto a otros sin perder su mutua cohesión.

El proceso después de haber conseguido afinar el tamaño de grano (obtenido a temperaturas por debajo del punto de fusión) consiste en llevar la aleación a una deformación plástica (velocidad de deformación lento) que se alcanza a una temperatura de 0.5 a 0.65 veces su temperatura de fusión, logrando así la condición superplástica de la aleación.

Una vez que se ha llevado el material a la condición superplástica es posible deformarlo, como si fuera una masilla, en la forma prevista o deseada. Después, las piezas así deformadas se tratan térmicamente, se enfrían rápidamente y se envejecen, para conseguir una microestructura más resistente y estable a elevada temperatura que la ofrecida por granos pequeños de la estructura superplástica.

Así, las aleaciones superplásticas como las de titanio se pueden forjar en formas complejas, eliminando muchas etapas de mecanizado y de terminación. Este proceso es muy caro, ya que es lento, sin embargo es utilizado para hacer piezas y motores de aviones. Gran parte de los

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motores están hechos de titanio superplástico, ya que resuelve el problema de las uniones, porque las distintas partes se pegan a una cierta temperatura y se presionan.

Las aleaciones fabricadas superplásticamente son menos costosas de mecanizar y, cuando se obtienen a partir de polvos finos prealeados, exhiben una notable uniformidad química y microestructural. Esta característica repercute en el logro de mejores propiedades que en las aleaciones forjadas, particularmente en la resistencia a la fatiga de baja frecuencia.

Los polvos prealeados pueden moldearse por dos técnicas: • Compactación isostática en caliente y

• Aleación mecánica.

Compactación isostática en caliente

Los polvos prealeados para las superaleaciones de titanio pueden moldearse por el procedimiento conocido como compactación isostática en caliente. Primero, se empaquetan en un molde de pared delgada, que es una versión geométrica aumentada de la forma final prevista. Después, el molde se coloca en un horno de vacío a temperatura elevada, para eliminar las moléculas absorbidas de gas; luego, se sella el molde y se introduce en una prensa especial. Aquí, el molde se expone a elevadas presiones y temperaturas, reduciendo sus dimensiones y soldando los polvos entre sí (sinterización). Finalmente, se arranca el molde y la pieza obtenida se mecaniza a su forma final.

La compactación isostática en caliente no sólo sirve para fabricar polvos en una determinada forma, sino que también se aplica para subsanar defectos en piezas premoldeadas y para rejuvenecer alabes del estator y del rotor de una turbina ( que muestran microporos en los límites de granos tras muchas horas de funcionamiento), así como otros componentes desgastados por el uso.

Aleación mecánica

La técnica de alear mecánicamente, se ha convertido en un procedimiento eficaz para conseguir este tipo de mezcla de polvos de partículas prealeados. Los materiales a alear se introducen en forma de pequeñas partículas, en un molino de bolas de gran velocidad, que consiste esencialmente en un conjunto de agitadores y un gran número de pequeñas bolas de

acero inoxidable. Los agitadores giran rápidamente, propiciando colisiones de las bolas entre sí y con las pequeñas partículas metálicas. De este modo, las partículas se sueldan en frío entre sí, formando aglomerados metálicos de mayores dimensiones, que con posteriores colisiones con las bolas se vuelven a desmoronar y a soldar repetidamente. El resultado es un polvo de partículas muy pequeñas y homogéneas. A continuación, este polvo se compacta y se sintetiza por extrusión en caliente, para que finalmente sea procesada y recristalizada direccionalmente.

Normalmente después de la elaboración de estas superaleaciones se suelen llevar otros procesos comunes como la mecanización, la forja y la soldadura.

Maquinado

El maquinado de superaleaciones de titanio presentan dificultades similares a las de los aceros inoxidables y mayores que las de los aceros normales, aunque tengan la misma dureza. Sin embargo, el mecanizado electroquímico es una forma para evitar dificultades de procesos de conformación.

Forja

La forja en frío en estas superaleaciones será más difícil en la medida de la cantidad de estructura hexagonal compacta (fase α) que contenga, ya que las posibilidades de deformación plástica serán muy limitadas.

La posibilidad de forja en caliente se hace a temperaturas superiores a la transformación alotrópica (882ºC), presentando el fenómeno de superplasticidad.

Soldadura

Los procesos para soldar aleaciones de titanio pueden clasificarse de la siguiente forma: • La soldadura por arco (TIG, MIG y PAW).

• La soldadura por láser y plasma. • La soldadura por haz de electrones. • La soldadura por resistencia eléctrica. • La soldadura por fricción.

- 144 - • La soldadura por forja.

• La soldadura “Brazing”.