Procesado pulvimetalúrgico de aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio presentan una importante aplicación en diferentes sectores y entre ellos puede destacarse el aeroespacial y biomédico. Es reconocido, tanto dentro de la comunidad científica como en el sector de la práctica clínica, que el Titanio comercialmente puro (Ti c.p.) y la aleación Ti6Al4V son los mejores biomateriales metálicos para el reemplazo de hueso, por su excelente biocompatibilidad (tanto in vitro como in vivo; norma ISO10993-1).

Sin embargo, la necesidad de obtención de módulos de elasticidad más bajos que eviten el apantallamiento de tensiones ha hecho que cada día vayan adquiriendo mayor importancia las aleaciones beta (Ti-β) basadas en elementos de aleación refractarios de baja toxicidad para las células (como Nb, Mo, Zr y Ta). Aunque el número de aleaciones de titanio beta crece continuamente se están imponiendo las aleaciones de Ti-Nb-Sn, Ti-Mo-Zr-Fe(Cr,Mn,Co) y Ti-Nb-Zr-Ta o TNZT.
Existen diversas rutas de manufactura para estas aleaciones y todas ellas se dividen en dos etapas. En la primera se obtiene un lingote por fusión en alto vacío o una preforma por sinterizado de polvos con la composición adecuada. En la segunda, se transforma la microestructura, se reduce el tamaño de grano y se aporta acritud al material mediante tratamientos termomecánicos. En cualquier caso, el objetivo es estabilizar la fase beta a temperatura ambiente y aplicar una fuerte deformación en frío en condiciones adecuadas para evitar la formación de fases no deseadas como la martensita o la fase omega que pueden aparecer debido a la inestabilidad de la fase beta durante el conformado.

Dentro de este campo, investigadores del Instituto de Tecnología de Materiales de la Universitat Politècnica de València trabajan en el desarrollo de piezas y componentes de titanio por la ruta pulvimetalúrgica, pues permite obtener rápidamente y de forma económica una preforma con tamaño de grano inicial pequeño. El principal reto en este procesado es el control microestructural del material resultante. Éste debe ser denso, homogéneo y con tamaño de grano fino, por lo que se han tenido que vencer problemas todavía por resolver, como la lenta difusión de elementos refractarios como Zr, Mo, Nb y Ta que dificultan la sinterabilidad y requiere de elevadas temperaturas y largos tiempos de permanencia en el horno (más de 1300°C y 4 horas de permanencia) y la ganancia en oxígeno del polvo de titanio más utilizado industrialmente, el titanio hidrurado-dehidrurado o (HDH).

Para conseguir todo esto, los investigadores han trabajado en el procesado pulvimetalúrgico de gran variedad de aleaciones binarias y cuaternarias: Ti-Mo, Ti-Nb, TiNbSn, TiMoZrFe, TiNbTaFe, y adiciones de Cr, Mn, Co, Ag, Cu y Ni principalmente. Se han obtenido piezas mediante mezcla elemental de polvos, mediante mezcla mecánica de los polvos (Mechanical Alloying) y sinterización bajo vacío y mediante Spark Plasma Sintering (SPS). Se han deformado plásticamente mediante laminación en frio y sobre todo se han puesto a punto diferentes procedimientos para realizar la caracterización mecánica, microestructural, frente a desgaste y corrosión, y de biocompatibilidad necesarios para evaluar el comportamiento de las aleaciones desarrolladas.

El trabajo desarrollado por el ITM permite incrementar las prestaciones de las aleaciones de titanio al permitir la adición de elementos de aleación de manera sencilla y económica. Además permite obtener materiales densos o porosos según requiera la aplicación, utilizando el método de espaciadores.

Aplicaciones

  • Desarrollo de biomateriales metálicos
  • Desarrollo de nuevos materiales para el sector aeroespacial

Ventajas técnicas

  • Obtención de polvos mediante mezcla mecánica con porcentajes precisos de los elementos de aleación.
  • Permite modificar la estructura del titanio y con ello sus propiedades.
  • Permite el control del tamaño de grano e incrementar sus propiedades mecánicas.
  • Incorporación de elementos refractarios en cantidades considerables con buena difusión y homogeneidad.

Beneficios que aporta

  • Desarrollo de polvos de aleaciones de titanio de bajo coste.
  • Modificación de la microestructura en aleaciones de titanio, según demanda.
  • Obtención de aleaciones de titanio densas o porosas bajo demanda.

Experiencia relevante