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Nuevas aleaciones de Ti-Fe, Ti-Fe-Al y Ti-Fe-Cr de bajo coste producidas por vías pulvimetalúrgicas

Las aleaciones de titanio son conocidas por su alta resistencia específica, resistencia a la corrosión en ambientes extremos y biocompatibilidad. Sin embargo, los altos costes de producción han limitado su utilización en sectores industriales de alto valor añadido como la industria aeroespacial. Por este motivo, existe un gran interés en desarrollar nuevas aleaciones de titanio de bajo coste que puedan habilitar de esta manera su implementación en nuevos sectores industriales.

La línea de investigación del Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) referente al diseño de nuevas aleaciones de titanio de bajo coste persigue la implementación de polvo de hidruro de titanio como material de partida junto con la utilización de nuevos elementos de aleación de bajo coste como el Hierro, Aluminio y Cromo. Uno de los focos de la investigación se centra en la sustitución del Vanadio por el Hierro como principal elemento estabilizador de la fase β en las aleaciones de titanio α+β mientras que las concentraciones de Cromo y Aluminio incrementarán la resistencia de los materiales frente a oxidación en altas temperaturas. Como resultado, se han logrado desarrollar tres aleaciones de titanio de bajo coste con las siguientes composiciones: Ti-7Fe, Ti-7Fe-3Al y Ti-7Fe-5Cr.

La etapa de producción pulvimetalúrgica incluye mezcla, compactación y sinterización en alto vacío hasta 1300°C de las mezclas de los polvos para impedir la contaminación de las muestras. El contenido de hierro es suficiente para estabilizar la fase β sin la aparición de intermetálicos en la microestructura, por otro lado, la combinación de Hierro y Cromo consigue estabilizar casi completamente la fase β del material como se puede ver en la Figura 1.

La etapa de descomposición del hidruro de titanio favorece una mejor densificación de las muestras y como consecuencia de este proceso se obtienen densidades cercanas a las teóricas. Los resultados obtenidos muestran una densidad relativa alrededor del 98% ± 1 y una pérdida de masa de H2 del 99% ± 1 durante la sinterización.

Figura 1 Imágenes de SEM de las muestras (A)Ti-7Fe (B) Ti-7Fe-5Cr (C) Ti-7Fe-3Al

Figura 1 Imágenes de SEM de las muestras (A)Ti-7Fe (B) Ti-7Fe-5Cr (C) Ti-7Fe-3Al

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Procesamiento pulvimetalúrgico de aleaciones beta de Ti-Nb de bajo coste

El Titanio y sus aleaciones son los metales más comúnmente utilizados en prótesis ortopédicas e implantes dentales. Sin embargo, todavía existen algunos problemas que es necesario abordar, como la resorción del hueso (osteopenia) debido al fenómeno de apantallamiento de tensiones (stress shielding), baja resistencia a tribocorrosión (dando lugar a liberación de iones metálicos y residuos de desgaste, con efectos nocivos locales o sistémicos), y falta de bioactividad.

Parte de la solución a estos problemas clínicos consiste en el uso de aleaciones de Ti-Nb de bajo módulo de Young en los que, posteriormente se pueden crear superficies hibridas y multifuncionales resistentes a tribocorrosión.

El Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid trabaja en el desarrollo de aleaciones beta de titanio de bajo coste empleando hidruro de titanio (TiH2, TH), niobio (Nb) y hierro (Fe) como polvos de partida. Se trabaja en el desarrollo de tres aleaciones con la siguiente formulación/composición: TH-12%wt Nb, TH-40%wt Nb y TH-5% Fe-12%wt Nb. La adición de Fe disminuye el contenido de Nb necesario para obtener/estabilizar una mayor fracción de fase beta, tal como se observa en la Figura 1.

Figura 1 Diagramas de fase obtenidos con el software Thermocalc®. a) Sistema Ti-Nb; b) Sistema Ti-5Fe-Nb

Figura 1 Diagramas de fase obtenidos con el software Thermocalc®. a) Sistema Ti-Nb; b) Sistema Ti-5Fe-Nb

El procesado de estos materiales consiste en una ruta pulvimetalúrgica convencional: Comienza con la mezcla elemental de los polvos, seguido de un prensado uniaxial y finalmente, la sinterización en condiciones de alto vacío. Este último paso debe garantizar la estabilización de la fase beta y la mayor conversión de TiH2 a Ti metálico.
El proceso de descomposición del TiH2 ocurre en dos etapas entre 450-650ºC, por lo que se han planteado distintos ciclos de sinterización que promuevan la eliminación de H2, controlando la velocidad de calentamiento en este intervalo de temperatura y optimizando tanto el tiempo como la temperatura final de sinterización (Figura 2.a).

Los resultados obtenidos indican una mayor pérdida de H2, alrededor de 98%, para las muestras sinterizadas con los ciclos 3 y 4, es decir, que la disminución de la velocidad de calentamiento a 2ºC/min durante la etapa de descomposición del hidruro favorece la eliminación de H2. (Figura 2.b).

Figura 2. a) Ciclos de sinterización planteados; b) Pérdida de H2 obtenida para los distintos ciclos de sinterización aplicados.

Figura 2. a) Ciclos de sinterización planteados; b) Pérdida de H2 obtenida para los distintos ciclos de sinterización aplicados.

La figura 3 muestra imágenes de SEM de las muestras sinterizadas con el ciclo 4. La muestra TH-12Nb tiene una microestructura α+β. La muestra TH-40Nb y TH-5Fe-25Nb presentan una microestructura principalmente β. Las zonas brillantes en la Figura 3.b corresponden a zonas ricas en Nb, entonces, la difusión del Nb ha sido incompleta debido al alto porcentaje añadido y al bajo coeficiente de difusión del Nb en el Ti.

La densidad relativa de las muestras sinterizadas es de 99% ± 1 para las muestras TH-12Nb y TH-5Fe-25Nb, y 96% ± 2 para la composición TH-40Nb debido a los problemas de segregación y difusión incompleta del Nb.

Figura 3 Imágenes de SEM de muestras sinterizadas con el ciclo 4. a) TH-12Nb; b) TH-40Nb; c) TH-5Fe-25Nb

Figura 3 Imágenes de SEM de muestras sinterizadas con el ciclo 4. a) TH-12Nb; b) TH-40Nb; c) TH-5Fe-25Nb


La línea actual de investigación se centra en buscar alternativas para mejorar la dispersión y difusión de las partículas de Nb, siendo el procesamiento coloidal una alternativa interesante a considerar.

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