Polvo de titanio

La metalurgia de polvos de titanio ofrece la posibilidad de crear piezas con forma final o casi final sin la pérdida de material ni el coste asociados al mecanizado de componentes complejos a partir de lingotes forjados. Los polvos se pueden producir mediante la técnica de mezcla de elementos o mediante prealeación y posterior consolidación por moldeo por inyección de metal , prensado isostático en caliente , laminación directa de polvo o conformado de precisión mediante láser .

El polvo de titanio se utiliza en la industria aeroespacial , implantes médicos , impresión 3D , metalurgia de polvos y recubrimientos superficiales debido a su resistencia, bajo peso y resistencia a la corrosión. ^{[ 1 ]} También desempeña un papel fundamental en la generación de energía, en equipos deportivos y como catalizador en procesos químicos. ^{[ 2 ]}

La técnica tradicional de producción de titanio es mediante el proceso Kroll , que implica la cloración del mineral _de TiO₂ en presencia de carbono y la reacción del TiCl₄ _resultante con magnesio para producir titanio esponjoso. Estos procesos se llevan a cabo a temperaturas de hasta 1040 °C. Las partículas esponjosas varían en tamaño de 45 a 180 μm, y las partículas de ~150 μm se denominan "finos esponjosos". Estos finos tienen forma irregular y son porosos con una morfología similar a la de una esponja. ^{[ 3 ]} Los finos se mezclan con adiciones de aleación, se compactan en frío en un compacto verde a hasta 415 MPa, y luego se sinterizan al vacío a 1260 °C para producir un componente con una densidad del 99,5 %. El prensado isostático en caliente (HIP) puede aumentar aún más la densidad de estas piezas y producir componentes de forma más económica que las piezas fundidas o forjadas, pero la porosidad presente en el material degrada las propiedades de fatiga y fractura. El método de elementos combinados se ha utilizado para producir válvulas para el Toyota Altezza , cabezas de palos de golf y bates de sóftbol. ^{[ 4 ]} Más recientemente, se han logrado piezas de Ti Grado 5 con una densidad cercana al 100% utilizando un polvo hidrurado junto con una aleación maestra de Al : V 60:40 . Las propiedades mecánicas son comparables a las de los productos fundidos y forjados. Se ha estimado un costo inferior a $3.00 para un enlace de conexión automotriz de 0.320 gramos.    

Existen varias técnicas para producir polvo prealeado, como el Grado 5. En el proceso de hidruración-deshidruración, la materia prima, como chatarra sólida, lingotes o virutas mecanizadas, se procesa para eliminar contaminantes, se hidrogena para producir un material quebradizo y luego se muele bajo argón en un molino de bolas vibratorio , típicamente a 400  °C durante 4 horas a una presión de 1 psi para el Ti Grado 5. Las partículas resultantes son angulares y miden entre 50 y 300  μm. La compactación en frío después de la deshidrogenación del polvo, seguida de prensado en caliente al vacío (en este caso, el proceso de deshidrogenación puede omitirse ya que el hidrógeno se elimina al vacío) o HIP y un recocido final al vacío, produce polvos con hidrógeno por debajo de 125 ppm. La posible presencia de contaminantes hace que estos polvos no sean adecuados para su uso en aplicaciones críticas de la industria aeronáutica.

En el proceso de electrodo rotatorio de plasma (PREP), la materia prima, como el titanio de grado 5, se presenta en forma de barra giratoria sometida a un arco eléctrico con plasma gaseoso. El metal fundido se expulsa centrífugamente de la barra, se enfría y se recoge. Los polvos resultantes son esféricos, con  un tamaño de entre 100 y 300 μm, y presentan buenas características de compactación y fluidez, lo que los hace ideales para la fabricación de piezas de alta calidad y con forma casi final mediante prensado isostático en caliente (HIP), como componentes aeronáuticos y recubrimientos porosos para prótesis de cadera.

En el proceso de atomización de titanio con gas (TGA), el titanio se funde por inducción al vacío en un crisol de cobre refrigerado por agua, se extrae el metal fundido y se atomiza con una corriente de gas inerte a alta presión . Las diminutas gotas son esféricas y miden entre 50 y 350  μm. El proceso TGA se ha utilizado para producir una amplia variedad de materiales, como titanio comercialmente puro, aleaciones alfa-beta convencionales y aleaciones beta. ^{[ 5 ]}

En el proceso de atomización por plasma (PA), un alambre de titanio se atomiza mediante tres chorros de plasma de gas inerte para formar polvos metálicos esféricos. La distribución de diámetros obtenida en el proceso PA abarca desde 0 hasta 200  μm, y los polvos obtenidos son de gran pureza. El proceso PA se especializa en la producción de materiales de alto punto de fusión como titanio (CP-Ti, Ti-6Al-4V), niobio , molibdeno , tantalio y muchos más. ^{[ 5 ]}

Se utilizan diversas técnicas de consolidación de metales para producir el producto final. El moldeo por inyección de metal (MIM), también conocido como moldeo por inyección de polvo, es un método consolidado y rentable para la fabricación de componentes metálicos de tamaño pequeño a mediano en grandes cantidades. Se deriva del moldeo por inyección de plástico , en el que la mezcla de un polvo metálico con un aglutinante polimérico forma la materia prima, que luego se inyecta en un molde. Posteriormente, el aglutinante se elimina mediante un tratamiento térmico al vacío antes de la sinterización final. Sin embargo, en el caso del titanio, los aglutinantes utilizados en el MIM provocan la introducción de carbono en la matriz debido a una eliminación insuficiente del aglutinante antes de la sinterización, o a reacciones perjudiciales entre el aglutinante en descomposición, la atmósfera de desaglutinación y la fase metálica. Esto da como resultado piezas de titanio con propiedades mecánicas inadecuadas para aplicaciones aeroespaciales críticas, pero adecuadas para piezas donde las propiedades de tracción e impacto son menos importantes. Recientemente, se ha trabajado para reducir el aglutinante a una fracción volumétrica inferior al 8 %, lo que permite su eliminación completa del componente moldeado durante el tratamiento térmico.

En el proceso de laminación directa de polvo (DPR), se utiliza polvo BE para producir láminas, placas y láminas y placas multicapa compuestas. Se han producido láminas de entre 1,27 y 2,54  mm de espesor y con una densidad de entre el 50 y el 99 % o más, de titanio CP monocapa, Ti Grado 5, TiAl (Ti-48Al-2Cr-2Nb) y compuestos Ti/Grado 5/Ti y Grado 5/TiAl/Grado 5 mediante DPR y sinterización.

La técnica de conformado de red mediante láser (LENS) es una técnica de fabricación aditiva para fabricar, mejorar y reparar rápidamente componentes metálicos directamente a partir de datos CAD. El proceso utiliza un láser de estado sólido de alta potencia enfocado sobre un sustrato metálico para crear un  baño de fusión de aproximadamente 1 mm de diámetro. A continuación, se inyecta polvo metálico en el baño de fusión para aumentar el volumen del material y construir el componente capa a capa. Se han fabricado propulsores de gas experimentales (tiempo de fabricación: 8 horas) y soportes para automóviles en titanio de grado 5. La sinterización selectiva por láser (SLS) es similar, con la diferencia de que el láser fusiona selectivamente el material en polvo mediante el escaneo de la superficie de un lecho de polvo. Tras escanear cada sección transversal, el lecho de polvo se baja una capa de espesor, se aplica una nueva capa de material encima y el proceso se repite hasta completar la pieza.

En el prensado isostático en caliente , se utilizan altas temperaturas y presiones para consolidar los polvos hasta alcanzar densidades cercanas a sus máximas densidades teóricas.

La sinterización asistida por corriente eléctrica, también conocida como sinterización por plasma de chispa (SPS, por sus siglas en inglés), se basa en la aplicación rápida de calentamiento resistivo y presión para consolidar polvos cerca de sus densidades teóricas máximas, sin el efecto indeseado de crecimiento de grano, manteniendo así un tamaño de grano cercano al original y logrando mejores propiedades mecánicas en el producto final.

Se está trabajando para evitar la ruta convencional de atomización de materia prima forjada o esponja y el costo inherente asociado con el proceso Kroll tradicional. Varios de estos procesos, como los de FFC, MER Corporation, OS, Ginatta y BHP Billiton, se basan en la reducción electrolítica de TiO₂ (un material barato y abundante) para formar titanio metálico. Hasta ahora, ningún material de estos procesos se ha vendido comercialmente en el mercado abierto, y aún no se han publicado modelos de costos, pero ofrecen la posibilidad de obtener polvo de titanio económico en un futuro cercano _. Los países que cuentan con instalaciones para generar esponja de titanio son Arabia Saudita, China, Japón, Rusia, Kazajistán, Estados Unidos, Ucrania e India. La planta de esponja de titanio en India es la única en el mundo que puede llevar a cabo todas las diferentes actividades de fabricación de esponja de titanio de grado aeroespacial bajo un mismo techo. ^{[ 6 ] [ 7 ]}