Aleaciones de titanio en la aviación

El transporte aéreo se ha convertido en una parte integral de nuestra vida diaria, ya sea mediante la logística de carga aérea o viajando en avión. Cuando miramos al cielo y observamos los aviones surcando el firmamento, surge de forma natural una pregunta: ¿qué materiales se utilizan para construir aviones capaces de transportar cargas tan masivas y operar a grandes altitudes?
Exploremos los materiales que sustentan esta capacidad extraordinaria.

Resumen del titanio

En 1948, DuPont logró con éxito la producción industrial de titanio esponjoso mediante el proceso de reducción con magnesio, marcando un hito importante en la historia de los materiales a base de titanio. Desde entonces, las aleaciones de titanio se han aplicado ampliamente en diversos sectores industriales gracias a sus excepcionales propiedades físicas, entre las que se incluyen alta resistencia específica, excelente resistencia a la corrosión y superior resistencia al calor .

Notablemente, el titanio es un elemento abundante en la corteza terrestre, ocupando el puesto número nueve en cuanto a abundancia total , muy por encima de metales comúnmente utilizados como el cobre, el cinc y el estaño. Está ampliamente distribuido en muchos tipos de rocas, especialmente en arenas y arcillas, donde las reservas son particularmente abundantes.

Características del titanio

El titanio presenta una serie de propiedades excepcionales, entre las que se incluyen alta resistencia, alta resistencia térmica, excelente resistencia a la corrosión, destacado rendimiento a bajas temperaturas y elevada reactividad química .

Específicamente, la resistencia del titanio supera ampliamente la de las aleaciones de aluminio, las aleaciones de magnesio y los aceros inoxidables, lo que lo convierte en uno de los metales estructurales más destacados. Asimismo, las aleaciones de titanio presentan un rendimiento excepcional a temperaturas elevadas, con temperaturas de funcionamiento significativamente superiores a las de las aleaciones de aluminio, y pueden mantener un rendimiento estable a largo plazo a 450–500 °C .

Además, el titanio muestra una excelente resistencia a los ácidos, a las bases y a la corrosión atmosférica, mostrando especialmente una fuerte resistencia a la corrosión por picaduras y a la corrosión por fisuración bajo tensión . A bajas temperaturas, las aleaciones de titanio, como TA7 conservan buena ductilidad y propiedades mecánicas, incluso a temperaturas tan bajas como –253 °C .

Sin embargo, el titanio presenta una alta reactividad química a temperaturas elevadas y puede reaccionar fácilmente con gases del aire, como el hidrógeno y el oxígeno, formando capas superficiales endurecidas. Además, las aleaciones de titanio tienen una conductividad térmica relativamente baja —aproximadamente una cuarta parte de la del níquel, una quinta parte de la del hierro y una catorceava parte de la del aluminio —mientras que su módulo de elasticidad es aproximadamente la mitad del del acero . Estas características hacen que el titanio sea indispensable en muchas aplicaciones de ingeniería avanzada.

Clasificación y aplicaciones de las aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio se pueden clasificar según sus aplicaciones en aleaciones resistentes al calor, aleaciones de alta resistencia y aleaciones resistentes a la corrosión (como las aleaciones Ti-Mo y Ti-Pd), aleaciones para bajas temperaturas , y aleaciones con funciones especiales , incluyendo materiales de almacenamiento de hidrógeno de titanio–hierro y aleaciones con memoria de forma de titanio–níquel.

Aunque la historia de aplicación de las aleaciones de titanio es relativamente corta, su excepcional rendimiento les ha valido numerosos reconocimientos, uno de los cuales es el título «metal espacial». Esta denominación proviene de su bajo peso, alta resistencia y excelente resistencia a altas temperaturas, lo que las convierte en materiales ideales para aeronaves y vehículos aeroespaciales.

Actualmente, aproximadamente las tres cuartas partes de la producción mundial de titanio y aleaciones de titanio se utilizan en el sector aeroespacial , y muchos componentes que anteriormente se fabricaban con aleaciones de aluminio ahora se sustituyen por aleaciones de titanio.

Aplicaciones aeronáuticas

Las aleaciones de titanio son materiales fundamentales en la fabricación de aeronaves y motores. Se emplean ampliamente en componentes forjados de ventiladores, discos y álabes de compresores, carcasas de motores y sistemas de escape , así como componentes estructurales tales como estructuras portantes y tabiques .

En aplicaciones aeroespaciales, la alta resistencia específica, la resistencia a la corrosión y el rendimiento a bajas temperaturas de las aleaciones de titanio las convierten en ideales para recipientes a presión, tanques de combustible, elementos de fijación, correas para instrumentos, estructuras portantes y vainas de cohetes . Las soldaduras de chapa de aleación de titanio se utilizan ampliamente en satélites artificiales, módulos lunares, naves espaciales tripuladas y transbordadores espaciales .

En 1950, Estados Unidos aplicó por primera vez aleaciones de titanio al Caza-bombardero F-84 , empleándolas en componentes no portantes, como escudos térmicos de la parte trasera del fuselaje, conductos de aire y carenados de cola. A partir de la década de 1960, las aleaciones de titanio se extendieron desde aplicaciones en la parte trasera del fuselaje hasta la zona central del fuselaje, sustituyendo parcialmente al acero estructural en tabiques, vigas y guías de los flaps .

Para la década de 1970, con la producción en masa de aeronaves civiles como la Boeing 747 , el uso del titanio aumentó de forma espectacular. Solo la Boeing 747 utilizaba más de 3640 kg de titanio , lo que representaba aproximadamente el 28 % del peso estructural de la aeronave . Las aleaciones de titanio también se emplearon ampliamente en cohetes, satélites y naves espaciales.

Características de mecanizado de las aleaciones de titanio

En primer lugar, las aleaciones de titanio tienen una conductividad térmica relativamente baja: solo alrededor de una cuarta parte de la del acero, una treceava parte de la del aluminio y una veinticincoava parte de la del cobre durante el mecanizado, la disipación de calor y el enfriamiento son, por tanto, ineficientes, lo que provoca altas temperaturas concentradas en la zona de corte . Esto puede causar deformación de la pieza y recuperación elástica, aumentar el par de corte, acelerar el desgaste del filo de la herramienta y reducir significativamente la vida útil de la herramienta.

En segundo lugar, debido a que el calor de corte se concentra cerca del filo de corte y no puede disiparse rápidamente, la fricción en la cara de incidencia aumenta, dificultando aún más la evacuación de las virutas y acelerando adicionalmente el desgaste de la herramienta.

Por último, a temperaturas elevadas, la actividad química de las aleaciones de titanio aumenta significativamente. Estas tienden a reaccionar con los materiales de la herramienta, lo que da lugar a adherencia, difusión y formación de borde acumulado . Estos fenómenos pueden provocar agarrotamiento, quemadura o rotura de la herramienta, afectando gravemente la calidad y la eficiencia del mecanizado.

Ventajas de los centros de mecanizado

Los centros de mecanizado pueden procesar múltiples componentes simultáneamente, mejorando significativamente la eficiencia productiva. Su alta precisión garantiza una excelente consistencia del producto, y, gracias a las funciones de compensación de herramientas, se puede aprovechar plenamente la precisión inherente de la máquina-herramienta.

Los centros de mecanizado también ofrecen una gran adaptabilidad y flexibilidad , permitiendo con facilidad el mecanizado de arcos, el biselado y las transiciones con redondeo. Aún más impresionante es su capacidad para realizar operaciones multifuncionales , incluyendo fresado, taladrado, rectificado interior (escariado) y roscado —todo ello en una sola máquina.

Desde una perspectiva de control de costes, los centros de mecanizado permiten una contabilidad precisa de costes y una programación eficaz de la producción, eliminan la necesidad de dispositivos especiales (fijaciones), reducen los costes generales y acortan los ciclos de producción. Asimismo, reducen considerablemente la intensidad laboral y pueden integrarse sin problemas con software CAM como UG (NX) realizar mecanizado multieje.

Selección de herramientas de corte y refrigerantes

La selección de herramientas de corte y refrigerantes adecuados es fundamental al mecanizar aleaciones de titanio. Los materiales de las herramientas deben presentar alta Dureza y Resistencia al Desgaste para garantizar una eliminación eficiente del material. La elección del refrigerante afecta directamente la calidad y la eficiencia del mecanizado: los refrigerantes adecuados reducen la fricción y el calor generado durante el corte, prolongando la vida útil de la herramienta y mejorando la precisión del mecanizado.

1. Requisitos del material de la herramienta

• La dureza de la herramienta debe ser significativamente mayor que la de las aleaciones de titanio para permitir un corte efectivo.
• Las herramientas deben poseer suficiente resistencia y tenacidad para soportar altos pares y fuerzas de corte.
• Dada la elevada tenacidad de las aleaciones de titanio, los filos de corte deben mantenerse afilados; por lo tanto, se requiere una excelente resistencia al desgaste para minimizar el endurecimiento por deformación.

2. Selección de la geometría de la fresa de punta

Debido a las características de mecanizado únicas de las aleaciones de titanio, la geometría de la fresa de punta difiere notablemente de la de las herramientas convencionales.
A ángulo de hélice más pequeño (β) se recomienda para aumentar el volumen de las ranuras, mejorar la evacuación de virutas y potenciar la disipación del calor.

3. Selección de parámetros de corte

Al mecanizar aleaciones de titanio, se deben emplear velocidades de corte más bajas combinadas con avances adecuados, profundidades de corte razonables y sobreespesores de acabado controlados.

4. Selección y aplicación del refrigerante

Debe evitarse el uso de refrigerantes que contengan cloro para prevenir la formación de sustancias tóxicas y la fragilización por hidrógeno, así como para reducir el riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión a temperaturas elevadas.
Se recomienda utilizar emulsiones sintéticas solubles en agua o refrigerantes especialmente formulados adecuados para el mecanizado de aleaciones de titanio.