Tratamiento térmico de titanio y aleaciones de titanio (1）

El tratamiento térmico es un proceso mediante el cual el calentamiento y enfriamiento controlado de metales se realiza en condiciones ambientales muy precisas para alterar las características físicas o mecánicas del metal sin cambiar la forma del producto. Si el tratamiento térmico no se realiza correctamente, es posible que el metal no alcance las propiedades deseadas y necesarias para cumplir con las especificaciones de diseño de los ingenieros.
El tratamiento térmico generalmente se asocia con el aumento de la resistencia del material, pero también se usa con frecuencia para mejorar la maquinabilidad, mejorar la conformabilidad, aumentar la ductilidad o aumentar la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, es un proceso crítico que garantiza que se logren las características especificadas del metal.

Las ventajas del tratamiento térmico de aleaciones de titanio:

Reducir las tensiones residuales desarrolladas durante la fabricación (alivio de tensiones)
Producir una combinación óptima de ductilidad, maquinabilidad y estabilidad dimensional y estructural (recocido)
Aumentar la fuerza (solución de tratamiento y envejecimiento)

Optimice propiedades especiales como tenacidad a la fractura, resistencia a la fatiga y resistencia a la fluencia a alta temperatura.

Aliviar el estrés del titanio.

El titanio y las aleaciones de titanio pueden aliviar la tensión sin afectar negativamente a la resistencia o la ductilidad.

Los tratamientos para aliviar tensiones disminuyen las tensiones residuales indeseables que resultan, en primer lugar, del forjado en caliente no uniforme o de la deformación por conformado y enderezamiento en frío, en segundo lugar, del mecanizado asimétrico de placas o piezas forjadas y, en tercer lugar, de la soldadura y enfriamiento de piezas fundidas. La eliminación de dichas tensiones ayuda a mantener la estabilidad de la forma y elimina condiciones desfavorables, como la pérdida del límite elástico a la compresión, comúnmente conocida como efecto Bauschinger.

El alivio de tensiones es probablemente el tratamiento térmico más común que se le da al titanio y a sus aleaciones. Se utiliza para disminuir las tensiones residuales indeseables que resultan de la deformación no uniforme del forjado en caliente, el conformado y enderezamiento no uniforme en frío, el mecanizado asimétrico de placas (hogouts) o piezas forjadas, la soldadura de piezas forjadas, fundidas o de pulvimetalurgia (P/M), y Enfriamiento de piezas fundidas.

El alivio de tensiones ayuda a mantener la estabilidad de la forma y también puede eliminar condiciones desfavorables como la pérdida del límite elástico por compresión (el efecto Bauschinger) que puede ser particularmente grave en las aleaciones de titanio. El alivio de tensiones se puede realizar sin afectar negativamente la resistencia o la ductilidad.

Recocido

El recocido de titanio y aleaciones de titanio sirve principalmente para aumentar la tenacidad a la fractura, la ductilidad a temperatura ambiente, la estabilidad dimensional y térmica y la resistencia a la fluencia. Muchas aleaciones de titanio se ponen en servicio en estado recocido. Debido a que la mejora en una o más propiedades generalmente se obtiene a expensas de alguna otra propiedad, el ciclo de recocido debe seleccionarse de acuerdo con el objetivo del tratamiento.
Los tratamientos de recocido comunes son:

El recocido en fábrica es un tratamiento de uso general que se aplica a todos los productos de la fábrica. No es un recocido completo y puede dejar rastros de trabajo en frío o en caliente en las microestructuras de productos muy trabajados, particularmente en láminas.

El recocido dúplex altera las formas, tamaños y distribuciones de fases a aquellas requeridas para mejorar la resistencia a la fluencia o la tenacidad a la fractura. En el recocido dúplex de la aleación Corona 5, por ejemplo, el primer recocido está cerca de la transus para globularizar lo deformado y minimizar su fracción de volumen. A esto le sigue un segundo recocido a temperatura más baja para precipitar nuevas partículas lenticulares (aciculares) entre las partículas globulares. Esta formación de acicular se asocia con mejoras en la resistencia a la fluencia y la tenacidad a la fractura.

El recocido por recristalización y el recocido se utilizan para mejorar la tenacidad a la fractura. En el recocido por recristalización, la aleación se calienta hasta el extremo superior del rango -, se mantiene durante un tiempo y luego se enfría muy lentamente. En los últimos años, el recocido por recristalización ha reemplazado al recocido para componentes críticos de fracturas en el fuselaje.

(Beta) Recocido. Al igual que el recocido por recristalización, el recocido mejora la tenacidad a la fractura. El recocido beta se realiza a temperaturas superiores a la transus de la aleación que se está recociendo. Para evitar un crecimiento excesivo del grano, la temperatura de recocido debe ser sólo ligeramente superior a la transus. Los tiempos de recocido dependen del espesor de la sección y deben ser suficientes para una transformación completa. El tiempo a temperatura después de la transformación debe mantenerse al mínimo para controlar el crecimiento del grano. Las secciones más grandes deben enfriarse con ventilador o enfriarse con agua para evitar la formación de una fase en los límites de los granos.

Solución de tratamiento y envejecimiento.

Se puede obtener una amplia gama de niveles de resistencia en aleaciones mediante tratamiento con solución y envejecimiento. Con la excepción de la aleación única Ti-2.5Cu, el origen de las respuestas al tratamiento térmico de las aleaciones de titanio radica en la inestabilidad de la fase de alta temperatura a temperaturas más bajas.
Calentar una aleación a la temperatura de tratamiento de solución produce una relación de fase más alta. Esta partición de fases se mantiene mediante enfriamiento; con el envejecimiento posterior se produce la descomposición de la fase inestable, proporcionando una alta resistencia. Las aleaciones comerciales generalmente se suministran tratadas con solución y solo necesitan envejecerse. El tratamiento en solución de aleaciones de titanio generalmente implica calentar a temperaturas ligeramente superiores o ligeramente inferiores a la temperatura transus.
Las aleaciones (beta) normalmente se obtienen de los fabricantes en estado tratado con solución. Si es necesario recalentar, los tiempos de remojo deben ser sólo los necesarios para obtener una solución completa. Las temperaturas de tratamiento de soluciones para aleaciones están por encima del transus; Como no hay una segunda fase, el crecimiento del grano puede proceder rápidamente.
- Aleaciones (Alfa-beta). La selección de una temperatura de tratamiento de solución para aleaciones se basa en la combinación de propiedades mecánicas deseadas después del envejecimiento. Un cambio en la temperatura de tratamiento de la solución de las aleaciones altera las cantidades de fase y, en consecuencia, cambia la respuesta al envejecimiento.
Para obtener alta resistencia con ductilidad adecuada, es necesario tratar con solución a una temperatura alta en el campo, normalmente de 25 a 85 grados (50 a 150 grados F) por debajo de la transus de la aleación. Si se requiere una alta tenacidad a la fractura o una resistencia mejorada a la corrosión por tensión, puede ser deseable el recocido o el tratamiento con solución. Sin embargo, el tratamiento térmico de aleaciones en el rango provoca una pérdida significativa de ductilidad. Estas aleaciones generalmente se tratan térmicamente en solución debajo de la transus para obtener un equilibrio óptimo de propiedades de ductilidad, tenacidad a la fractura, fluencia y ruptura por tensión.

Temple

Si las aleaciones se enfrían rápidamente mediante enfriamiento con agua desde toda la región beta, se suprime la tendencia de la fase alfa a formarse y se retiene la fase beta. Ciertas composiciones de aleaciones, sin embargo, exhiben una transformación peculiar al enfriarse. Este mecanismo de transformación martensítica o de corte no se comprende completamente. La formación de esta estructura, la llamada prima alfa, provoca cierta distorsión de la red. Esta distorsión y la tensión resultante producen un material duro y tenaz, y que posee mejores propiedades de fatiga que el alfa. Este proceso de enfriamiento es también el punto inicial para el templado.

Templado

Cuando el titanio se enfría desde una temperatura elevada, se recalienta a una temperatura por debajo del transus beta, se mantiene durante un período de tiempo y se enfría nuevamente, se dice que ha sido templado. En el templado existen tres variables: las fases presentes, el tiempo mantenido y la temperatura de templado.

Cuando la estructura inicial contiene alfa primo, ocurren dos cambios: el alfa primo se transforma en alfa y, en tiempos más prolongados, el alfa se vuelve dentado. El resultado es una pérdida de dureza y resistencia y un aumento de la ductilidad y el impacto. Las estructuras alfa-beta, sin embargo, no siguen este patrón. El alfa básicamente permanece sin cambios; la beta se descompone para formar más alfa a expensas de la fase beta. A bajas temperaturas se formará más alfa; por lo tanto, las bajas temperaturas de revenido dan como resultado una mayor disminución de la resistencia y la dureza y un mayor aumento de la ductilidad que el revenido a alta temperatura durante intervalos de tiempo idénticos.

Transformación isotérmica

Al enfriar en caliente una aleación desde toda la región beta a temperaturas en el campo alfa-beta y mantenerla durante un período de tiempo y luego enfriarla aún más a temperatura ambiente, el material se transforma isotérmicamente. El tratamiento de esta manera provoca la precipitación de la fase alfa a partir de la beta. A altas temperaturas, el alfa precipita primero en los límites de los granos y luego dentro de los propios granos beta.
Este tratamiento, cuando se mantiene a temperaturas justo por debajo de la temperatura de transformación, al principio da un material muy duro debido a la formación de beta prima. Si se prolonga el tiempo de sujeción, la dureza y la resistencia disminuyen con el consiguiente aumento de la ductilidad y la tenacidad. A temperaturas más bajas tiene lugar un aumento gradual de la dureza y la fragilidad, y en tiempos prolongados se puede obtener una dureza mayor que mediante tratamientos de corta duración a alta temperatura.

(Continuará)