El tratamiento térmico del titanio varía considerablemente según el grado de la aleación. Los grados 1 a 4 de titanio comercialmente puro (CP) solo pueden someterse a recocido (538–760 °C / 1000–1400 °F) y a alivio de tensiones; no pueden reforzarse mediante tratamiento térmico. El grado 5 (Ti-6Al-4V), la aleación más utilizada, puede recocerse a 691–760 °C (1275–1400 °F) o someterse a un tratamiento de solubilización a 913–954 °C (1675–1750 °F) y sometida a envejecimiento a 524–552 °C (975–1025 °F) para alcanzar una resistencia superior en ~20% a la del estado recocido. La temperatura de referencia crítica para cualquier aleación de titanio es la beta transus—el calentamiento por encima de esa temperatura modifica de forma fundamental la microestructura y las propiedades. Todo tratamiento térmico por encima de los 538 °C (1000 °F) requiere vacío, gas inerte o atmósfera protectora, según la norma AMS 2801.
Referencia rápida: Temperaturas de tratamiento térmico del titanio según el grado
La tabla que todo ingeniero especializado en titanio debería tener marcada como favorita. Todas las temperaturas proceden de las fichas técnicas de los laminadores de ATI y de los requisitos de la norma AMS 2801.
| Grado | Aleación | Beta Transus | Alivio del estrés | Temperatura de recocido | Tiempo de recocido | Opción STA |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Grado 1 | CP Ti (0,181 TP3T O máx.) | ~888 °C / 1630 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 538–704 °C / 1000–1300 °F | ½–2 h, aire acondicionado | No |
| Grado 2 | CP Ti (0,251 TP3T O máx.) | ~913 °C / 1675 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 h, aire acondicionado | No |
| Grado 3 | CP Ti (0,35% O máx.) | ~921 °C / 1690 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 h, aire acondicionado | No |
| Grado 4 | CP Ti (0,40% O máx.) | ~949 °C / 1740 °F | 538–593 °C / 1000–1100 °F | 649–760 °C / 1200–1400 °F | ½–2 h, aire acondicionado | No |
| 5º curso | Ti-6Al-4V | 995 °C ± 14 °C / 1820 °F ± 25 °F | 538–649 °C / 1000–1200 °F | 691–760 °C / 1275–1400 °F | ½–2 h, AC o FC | Sí (STA) |
| Grado 23 | Ti-6Al-4V ELI | 977 °C ± 4 °C / 1790 °F ± 25 °F | 482–649 °C / 900–1200 °F | 704–732 °C / 1300–1350 °F | 1–8 h, CA | Sí (en contadas ocasiones) |
AC = enfriamiento por aire, FC = enfriamiento por horno. Fuentes: Fichas técnicas de ATI; AMS 2801D; ficha técnica de CP Ti de Carpenter Technology.
El principio más importante de todos: En el caso de los grados 5 y 23, la temperatura de recocido debe mantenerse al menos entre 35 y 80 °C por debajo del punto de transus beta. Si se supera ese límite, al enfriarse se obtiene una microestructura beta totalmente transformada: una pieza de grano más grueso, más tenaz y con menor resistencia a la fatiga que la que requieren la mayoría de las aplicaciones.
Entender el Beta Transus: por qué esta temperatura lo cambia todo
La transus beta es el punto de referencia térmico más importante en la metalurgia del titanio. Todos los parámetros del tratamiento térmico —recocido, tratamiento de solubilización, alivio de tensiones— se definen en relación con él.
El titanio puro sufre una transformación alotrópica a 882,5 °C: por debajo de esta temperatura, la estructura cristalina es hexagonal compacta (HCP), denominada fase alfa. Por encima de ella, la estructura pasa a ser cúbica centrada en el cuerpo (BCC), la fase beta. Cuando se añaden elementos de aleación —aluminio, vanadio, oxígeno, estaño—, esta temperatura de transformación varía.
En el caso del Ti-6Al-4V, el transus beta se sitúa aproximadamente en 995 °C (1820 °F), con una tolerancia típica indicada por el fabricante de ±14 °C (±25 °F). Esto significa que un lote concreto de Ti-6Al-4V podría transformarse en un intervalo de temperaturas comprendido entre 981 °C y 1009 °C. Los datos de producción de ATI indican 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F) para su producto 6-4.
Por qué es importante la tolerancia: Si realizas el tratamiento de solución a 960 °C y el transus beta para ese calor específico es de 981 °C, sigues estando por debajo del transus y trabajando en el campo bifásico alfa+beta —que es exactamente donde debes estar para el STA—. Pero si el transus es de 958 °C y estás a 960 °C, lo has superado. La fracción beta a esa temperatura es ahora 100%, y la microestructura tras el enfriamiento tendrá un aspecto completamente diferente.
Por este motivo, la ficha técnica de ATI especifica un tratamiento de solución a una temperatura de entre 1675 y 1750 °F (913–954 °C), un intervalo fijado deliberadamente entre 45 y 85 °C por debajo del transus beta nominal, lo que proporciona un margen suficiente para compensar las variaciones de temperatura.
El grado 23 (ELI) presenta un transus beta notablemente inferior: 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F). La composición química más estricta del ELI (menor contenido de Fe y menores niveles de elementos intersticiales) desplaza ligeramente hacia abajo la línea de transus. Esto afecta a todos los parámetros del tratamiento térmico: el recocido, el intervalo de tratamiento de solubilización y las especificaciones AMS aplicables difieren de las del grado 5 estándar.
Calidades de titanio CP Los grados 1 a 4 son aleaciones alfa puras. Su transus beta oscila entre los 888 °C del grado 1 y los 949 °C del grado 4 (un mayor contenido de oxígeno y hierro estabiliza la fase beta, elevando el transus). Dado que estos grados no contienen elementos estabilizadores de la fase beta, como el vanadio, no hay nada que pueda precipitarse durante el envejecimiento — No es posible realizar un STA.
Los cuatro tipos de tratamiento térmico del titanio: en qué consiste cada uno
| Tratamiento | Zona de temperatura | Objetivo principal | Cursos a los que se aplica |
|---|---|---|---|
| Alivio del estrés | 482–649 °C (900–1200 °F) — muy por debajo de la temperatura de recocido | Reducir las tensiones residuales derivadas del mecanizado, el conformado y la soldadura | Todos los cursos |
| Recocido | 538–760 °C, dependiendo del grado — por debajo del transus beta | Optimizar la ductilidad, la tenacidad y la estabilidad dimensional | Todos los cursos |
| Solución Treat + Age (STA) | ST: 913–954 °C; luego, edad: 480–595 °C | Maximizar la resistencia (hasta unos 201 TP3T respecto al recocido) | Grado 5, grado 23 (en contadas ocasiones), algunas aleaciones beta |
| Recocido beta | Por encima de la línea transus beta, y luego enfriamiento controlado | Maximizar la tenacidad a la fractura y la resistencia al crecimiento de grietas | Grado 5, aleaciones beta |
La mayoría de las piezas aeroespaciales e industriales llegan en una de estas dos condiciones: recocido en laminador (AMS 4928 para barras/lingotes de Ti-6Al-4V) o tratado con una solución y envejecido (AMS 4965). La elección depende del nivel de resistencia requerido, del tamaño de la sección y de si la geometría puede soportar el enfriamiento rápido en agua del tratamiento de solubilización.
Recocido del titanio: recocido de laminación, recocido completo y recocido dúplex
El recocido estándar del titanio produce un estado inicial estable y dúctil, pero el término “recocido” abarca al menos tres procesos distintos, cada uno con resultados diferentes.
Recocido en laminador
La condición más habitual del Ti-6Al-4V en el mercado. El material se recoce en la fábrica durante o después del procesamiento primario, normalmente a una temperatura de entre 700 y 790 °C (1292–1454 °F) en el caso de las barras y las chapas. La norma AMS 4928 abarca las barras, los lingotes y las piezas forjadas de Ti-6Al-4V en estado recocido, con unas propiedades mínimas de 895 MPa (130 ksi) de resistencia a la tracción y 825 MPa (120 ksi) de límite elástico en el albaril 10%.
Para CP titanio (Grados 1-4), el recocido da lugar a una estructura alfa equiaxial totalmente recristalizada. El tamaño del grano y la resistencia pueden ajustarse variando la temperatura de recocido dentro de ese rango: las temperaturas más bajas producen granos más finos y una mayor resistencia; las temperaturas más altas hacen que los granos sean más gruesos y maximizan la ductilidad.
Recocido completo / de recristalización
En el caso del Ti-6Al-4V que haya sido sometido a un intenso trabajo en frío o cuya microestructura se haya deformado debido a un mecanizado agresivo, se aplica un recocido de recristalización completo: 704–760 °C (1300–1400 °F), 2 horas, enfriamiento al aire o en horno. Esto da lugar a una estructura alfa equiaxial recristalizada de forma más completa que con un recocido de laminación.
Recocido dúplex
El recocido dúplex utiliza dos etapas de temperatura para optimizar el equilibrio entre la fase alfa y la fase beta transformada. Los datos de investigación de TotalMateria y Scientific Reports muestran que el procesamiento dúplex del Ti-6Al-4V —que combina una etapa de disolución a temperatura más alta con una estabilización a temperatura más baja— puede lograr mejoras en la resistencia de hasta 25% sobre recocido de fábrica estándar sin dejar de mantener una ductilidad adecuada.
El proceso dúplex: primero se calienta hasta el rango superior alfa+beta (~925 °C), se enfría al aire o en el horno y, a continuación, se mantiene a una temperatura más baja (~700 °C) para estabilizar la microestructura. Esto da lugar a una microestructura bimodal (alfa primaria equiaxial + beta transformada) que equilibra la resistencia a la fatiga con la tenacidad a la fractura.
Recocido beta
Al calentar el Ti-6Al-4V por encima de su transus beta (~995 °C) y enfriarlo después lentamente, se obtiene una microestructura alfa+beta de “Widmanstätten” totalmente lamelar. El recocido beta maximiza la tenacidad a la fractura y la resistencia al crecimiento de grietas a costa de una menor resistencia al límite elástico y un menor comportamiento frente a la fatiga de alto número de ciclos. Se utiliza para piezas estructurales de sección gruesa en helicópteros y en algunas aplicaciones del fuselaje en las que la tenacidad prima sobre la resistencia máxima.
Tratamiento de solución del Ti-6Al-4V: los parámetros que determinan sus propiedades
El tratamiento en solución (ST) es la primera etapa del STA, y los parámetros que se elijan en esta fase determinan la microestructura y la resistencia finales más que cualquier otra variable.
La ventana «Solution Treat»
Según los datos de producción de ATI y los requisitos de la norma AMS 4965, el rango de tratamiento de la solución para el Ti-6Al-4V es 913–954 °C (1675–1750 °F), durante un mínimo de 1 hora. Algunas fuentes indican que este intervalo comienza a 904 °C (1660 °F); la ficha técnica de ATI especifica 913 °C como límite inferior para su producto.
Este intervalo se ha fijado intencionadamente entre 45 y 80 °C por debajo del transus beta nominal (~995 °C). Entre 913 y 954 °C, aproximadamente entre el 70 y el 85% de la microestructura es alfa, con una presencia de la fase beta de entre el 15 y el 30% a esa temperatura. Cuando se enfría rápidamente con agua desde este rango, la fase beta se transforma en:
- Martensita (α′) — si la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rápida (el enfriamiento con agua lo consigue en la mayoría de las secciones de ≤25 mm)
- Alfa y beta de Widmanstätten — si el enfriamiento es más lento, en secciones más gruesas en las que el centro no se enfría lo suficientemente rápido
La fase de martensita/beta retenida constituye, por tanto, el punto de partida supersaturado para el envejecimiento.
Por qué no se debe aplicar el tratamiento por solución por encima del transus beta
El calentamiento por encima de ~995 °C para el tratamiento de solubilización se lleva a cabo en ocasiones en el ámbito de la investigación y para aplicaciones específicas en las que prima la tenacidad (lo que se denomina “tratamiento de solubilización beta”), pero en la producción aeroespacial estándar se evita en piezas en las que la resistencia es fundamental. Por encima de la línea transus, todo el alfa se disuelve. Los granos beta se agrandan significativamente. Tras el enfriamiento y el envejecimiento posteriores, se obtiene una microestructura lamelar más gruesa que presenta una resistencia a la fatiga y un límite elástico inferiores a los de un STA alfa+beta.
La norma AMS 4965 especifica el estado «recocido + tratable térmicamente» con el fin específico de evitar un sobrecalentamiento accidental.
Velocidad de enfriamiento a partir de la temperatura de la solución
El enfriamiento en agua es el método estándar para el Ti-6Al-4V STA. El enfriamiento en polímero es una alternativa aceptable para las piezas sensibles a la deformación por enfriamiento, pero la velocidad de enfriamiento debe ser equivalente, lo cual debe confirmarse mediante ensayos de propiedades mecánicas.
La refrigeración por aire a partir de la temperatura de la solución es no es suficiente para conservar la fase beta/martensita necesaria para el endurecimiento por envejecimiento. El material enfriado al aire desde la temperatura ST presenta una microestructura similar a la de un recocido a alta temperatura: dúctil, pero sin haber alcanzado el endurecimiento completo.
Tamaño de la sección: el límite de templabilidad
Este es el punto que pilla por sorpresa a muchos ingenieros: El Ti-6Al-4V STA solo es plenamente eficaz en secciones de hasta aproximadamente 15-25 mm (0,6-1,0 pulgadas) de diámetro o espesor. Además, el centro de la sección no se enfría lo suficientemente rápido durante el enfriamiento rápido con agua como para suprimir por completo la transformación beta en el estado de equilibrio alfa+beta. El resultado es un gradiente de propiedades: una resistencia mayor en la superficie que en el núcleo.
Los datos técnicos de ATI indican que “las mejores propiedades en el estado STA se obtienen en secciones pequeñas”. TIMET señala igualmente limitaciones en la templabilidad para secciones transversales más gruesas. Si estás diseñando un elemento de fijación de Ti-6Al-4V (normalmente de 10 a 15 mm de diámetro), el estado STA funciona bien. Si se especifica el tratamiento STA para un eje de 50 mm, cabe esperar que las propiedades del núcleo no alcancen los mínimos de la norma AMS 4965, incluso si el ciclo del horno fuera perfecto.
Envejecimiento del Ti-6Al-4V: cómo convertir el potencial de temple en resistencia real
Es precisamente durante el envejecimiento donde se desarrolla realmente la resistencia del STA Ti-6Al-4V. La solución de tratamiento solo prepara la microestructura; el envejecimiento es el que hace el trabajo.
Tras el temple en agua desde la temperatura de tratamiento de solución, el Ti-6Al-4V contiene una mezcla sobresaturada de beta retenida y/o martensita (α′). Se trata de fases metaestables con una importante cantidad de energía almacenada. El envejecimiento a la temperatura adecuada activa una descomposición controlada: la martensita se descompone en alfa y beta finas; la beta retenida precipita alfa secundaria fina (αs) por toda la matriz. Estos precipitados finos son la fuente del aumento de resistencia.
Parámetros estándar de envejecimiento
Según datos de ATI:
- Temperatura: 524–552 °C (975–1025 °F)
- La hora: 4–8 horas
- Refrigeración: Refrigeración por aire
Una selección más amplia de TIMET y fuentes del sector: 480–595 °C (900–1100 °F), de 1 a 24 horas. El intervalo de ATI es más reducido y constituye el punto óptimo para las aplicaciones aeroespaciales habituales.
Temperaturas de envejecimiento más bajas (480–500 °C) producen precipitados más finos y una mayor resistencia máxima, a costa de perder algo de ductilidad. Son útiles para elementos de fijación sometidos a cargas elevadas.
Temperaturas de envejecimiento más elevadas (570–595 °C) ofrecen una estructura alfa más gruesa y una mayor ductilidad y tenacidad a la fractura, con una resistencia a la tracción máxima (UTS) ligeramente inferior. Se utilizan para piezas estructurales que requieren resistencia al impacto.
Envejecimiento excesivo (por encima de los 595 °C durante periodos prolongados) comienza a aumentar el tamaño de los precipitados alfa, lo que reduce la resistencia sin aportar apenas ductilidad. El envejecimiento a temperaturas superiores a 595 °C equivale, en la práctica, a un tratamiento de alivio de tensiones, y no a un tratamiento de refuerzo.
Lo que realmente consigue la STA: cifras inmobiliarias
El estado recocido (AMS 4928) presenta unos valores mínimos de especificación de 895 MPa de resistencia a la tracción / 825 MPa de límite elástico / alargamiento del 10%. La STA a AMS 4965 eleva los requisitos mínimos a 1103 MPa de resistencia a la tracción / 1034 MPa de límite elástico / alargamiento del 8% — un aumento de la resistencia de aproximadamente 23%, con una reducción de la elongación mínima de unos 2%.
Los datos de «Scientific Reports» (2023) confirman que el procesamiento mediante STA suele ofrecer un Aumento de ~20% en la resistencia a la tracción Recocido tras el fresado del Ti-6Al-4V.
Por eso los elementos de fijación aeroespaciales, las carcasas de los motores de cohetes, los discos de compresor y otras piezas sometidas a cargas elevadas se especifican en la condición STA: la relación resistencia-peso es aproximadamente 23% mejor que la del material recocido, con una ductilidad totalmente aceptable.
Alivio de tensiones frente a recocido: cuándo se necesita realmente cada uno
A menudo se confunden el alivio de tensiones y el recocido, ya que ambos procesos implican calentar el titanio a temperaturas elevadas. La diferencia radica en lo que se pretende conseguir.
Alivio del estrés
El alivio de tensiones se utiliza para solucionar un problema concreto: las tensiones residuales derivadas del mecanizado, el conformado en frío, la soldadura o el enderezado. El rango de temperaturas se mantiene intencionadamente por debajo del intervalo de recocido —normalmente entre 482 y 649 °C (900–1200 °F) para el Ti-6Al-4V— de modo que la microestructura no sufra cambios significativos. De este modo, se alivian las tensiones internas sin alterar la estructura granular ni el equilibrio de fases.
La norma AMS 2801 especifica el tratamiento de alivio de tensiones para piezas de Ti-6Al-4V a 593 °C (1100 °F) durante 2 horas, con enfriamiento al aire. Este es el parámetro de referencia para el alivio de tensiones tras la soldadura y tras el mecanizado en bruto de piezas aeroespaciales de precisión.
En el caso del titanio CP (grados 1-4), el tratamiento de alivio de tensiones suele realizarse a una temperatura de entre 538 y 593 °C (1000-1100 °F) durante 30 minutos, con enfriamiento al aire.
Cuándo utilizar el alivio de tensiones en lugar del recocido:
- Después de la soldadura, antes del mecanizado final, cuando no es necesario recuperar toda la ductilidad
- Entre cada paso de conformado, para permitir un mayor trabajo en frío
- En el caso de las piezas sometidas a tratamiento térmico (STA) que requieren una reducción de tensiones sin perder la resistencia obtenida mediante el envejecimiento, este es el caso crítico. Si se recoce por completo una pieza STA, se destruye el tratamiento de envejecimiento. Un tratamiento de alivio de tensiones permite mantenerse de forma segura por debajo del rango de temperaturas de envejecimiento, de modo que se conservan las propiedades.
Recocido
El recocido va más allá: recristaliza la microestructura, restaura la ductilidad total y elimina todas las tensiones residuales. Es adecuado cuando:
- El material ha sido sometido a un intenso trabajo en frío y necesita una restauración completa de sus propiedades.
- Se necesita la máxima ductilidad para las operaciones de conformado posteriores
- La pieza acabada requiere una estabilidad dimensional que solo puede proporcionar una microestructura totalmente recocida.
La desventaja del recocido frente al alivio de tensiones es que lleva más tiempo, requiere la misma atmósfera protectora y —lo que es más importante— si se recoce una pieza sometida a alivio de tensiones, se elimina todo el endurecimiento obtenido mediante el envejecimiento. La pieza vuelve, en esencia, a su estado inicial de recocido.
Regla práctica para la toma de decisiones: Si la pieza se encuentra en estado recocido y vas a mecanizarla, suele bastar con un tratamiento de alivio de tensiones. Si la pieza ha sido conformada en frío o presenta una distorsión microestructural grave, recócelo. Si se encuentra en estado STA y necesitas reducir las tensiones, mantén la temperatura en el rango de 480–538 °C (por debajo del rango de envejecimiento) y trátala como un tratamiento de alivio de tensiones a baja temperatura.
Control de la atmósfera y la caja Alpha: el fallo de contaminación que no supera las inspecciones
El «caso alfa» es el motivo de rechazo más habitual relacionado con el tratamiento térmico de las piezas de titanio en la producción aeroespacial, y es totalmente evitable.
Qué es Alpha Case
Cuando el titanio se calienta por encima de aproximadamente 538 °C en contacto con el aire, reacciona de forma agresiva con el oxígeno y el nitrógeno. El oxígeno se difunde hacia la superficie, estabilizando la fase alfa hasta una profundidad que puede oscilar entre 0,025 y 0,25 mm, dependiendo de la temperatura y el tiempo. Esta capa superficial estabilizada por el oxígeno se denomina caso alfa: es más duro, más frágil y menos dúctil que el sustrato subyacente.
El estado alfa es prácticamente invisible a simple vista. No afecta a la inspección dimensional, no se detecta en las máquinas de medición por coordenadas y puede superar la inspección visual. Solo se hace evidente en el corte transversal metalúrgico o —en el peor de los casos— durante los ensayos de fatiga o en servicio, cuando se inicia una grieta superficial en la zona frágil.
En aplicaciones aeroespaciales, la norma AMS 2801 establece dos umbrales de temperatura clave:
- Por encima de los 204 °C en contacto con el aire, comienza la contaminación de la superficie; según la nota 8.5 de la norma AMS 2801, las piezas no deben quedar expuestas al aire libre a partir de este punto.
- Las piezas con dimensiones netas no deben calentarse a más de 538 °C (1000 °F). en hornos de aire o con atmósfera no inerte, a menos que estén recubiertos con un revestimiento protector. Cualquier capa alfa resultante deberá eliminarse por medios mecánicos o químicos antes de su aceptación.
- Nivel de vacío Para el tratamiento térmico del titanio según la norma AMS 2801, debe ser ≤0,1 µm Hg (10⁻⁴ torr). Muchos operadores de hornos de vacío comerciales mantienen valores aún más estrictos: Solar Atmospheres y otras empresas similares procesan el titanio a niveles de vacío muy por debajo de este mínimo.
Implicaciones prácticas
Para el alivio de tensiones a una temperatura igual o inferior a 538 °C, un horno con atmósfera de aire es técnicamente aceptable, ya que se encuentra en el umbral en el que la oxidación es controlable. Sin embargo, en la práctica, la mayoría de los especialistas en tratamiento térmico procesan todo el titanio al vacío para eliminar cualquier riesgo.
Para el recocido (691–760 °C para el Ti-6Al-4V) y el tratamiento de solubilización (913–954 °C), El vacío o la atmósfera inerte son requisitos imprescindibles. La tasa de crecimiento de la capa alfa aumenta drásticamente por encima de los 700 °C. Si se realiza el tratamiento de solubilización del Ti-6Al-4V al aire sin protección, se producirá una capa alfa muy marcada y las piezas no superarán la inspección de fatiga.
En el caso concreto de las piezas fabricadas mediante AM/LPBF: la geometría de forma definitiva hace que la eliminación de la capa alfa mediante mecanizado resulte inviable. Tanto la norma ASTM F3301 como la AMS 2801 especifican que, por este motivo, los tratamientos térmicos del Ti-6Al-4V fabricado mediante LPBF deben realizarse al vacío.
Condiciones de tratamiento térmico y especificaciones AMS: ¿qué especificación debe figurar en el plano?
Una de las preguntas más habituales entre los ingenieros que se inician en el titanio es: “¿Qué especificación AMS debo indicar?”. La respuesta depende de la forma del producto y de las condiciones de uso previstas.
| Especificaciones de AMS | Forma del producto | Condición | Aleación |
|---|---|---|---|
| AMS 4928 | Barras, lingotes, piezas forjadas | Recocido | Ti-6Al-4V (Grado 5) |
| AMS 4965 | Barra, piezas forjadas | Tratado con solución + envejecido | Ti-6Al-4V (Grado 5) |
| AMS 4967 | Barra, piezas forjadas | Recocido, susceptible de tratamiento térmico | Ti-6Al-4V (Grado 5) |
| AMS 4911 | Lámina, tira, placa | Recocido | Ti-6Al-4V (Grado 5) |
| AMS 4930 | Barras, alambre, lingotes, anillos | Recocido | Ti-6Al-4V ELI (Grado 23) |
| AMS 4931 | Barras, lingotes, anillos | Recocido | Ti-6Al-4V ELI (Grado 23) |
| AMS 4921 | Barras, alambre, piezas forjadas | Recocido | Grados 1 a 4 de CP Ti |
| AMS 2801 | (Especificaciones del proceso) | Tratamiento térmico de piezas | Todas las aleaciones de titanio |
Distinción importante: Los modelos AMS 4928, 4965 y 4911 son especificaciones de los materiales — son ellos quienes deciden qué envía la fábrica. El AMS 2801 es un especificación del proceso — regula la forma en que un fabricante de piezas o un taller de tratamiento térmico aplica el tratamiento térmico a las piezas durante su fabricación.
Si en el bloque de especificaciones de materiales de tu plano figura la referencia AMS 4928, has especificado barras de Ti-6Al-4V recocidas. Si además deseas un tratamiento de alivio de tensiones tras el mecanizado (STA), necesitarás una nota de proceso independiente que haga referencia a la norma AMS 2801 con los parámetros específicos del tratamiento.
Para los contratistas principales del sector aeroespacial, la norma AMS 4967 (“Recocido, tratable térmicamente”) es la especificación habitual para la compra de materia prima cuando el fabricante de piezas va a realizar un tratamiento térmico de endurecimiento (STA) en piezas mecanizadas o forjadas. La barra se suministra recocida (fácil de mecanizar) y el fabricante aplica el ciclo de STA tras el mecanizado en bruto.
Grado 23 (Ti-6Al-4V ELI): diferencias en el tratamiento térmico que marcan la diferencia
El grado 23 no es simplemente un “grado 5 más limpio”. Los cambios en la composición química del ELI modifican el transus beta y los parámetros del tratamiento térmico en tal medida que aplicar los valores del grado 5 al material de grado 23 es un error.
ELI son las siglas de «Extra-Low Interstitial» (intersticial extrabajo). En comparación con el grado 5 estándar:
- Oxígeno máximo: 0,131 TP3T (frente a 0,201 TP3T en el grado 5)
- Máximo de hierro: 0,25% (frente a 0,40%)
- Nitrógeno máximo: 0,051 TP3T (igual)
Estos niveles intersticiales más bajos reducen el efecto estabilizador alfa del oxígeno y el hierro, lo que reduce el transus beta a aproximadamente 977 °C ± 4 °C (1790 °F ± 25 °F) — entre 18 y 22 °C por debajo del transus de grado 5.
Parámetros de tratamiento térmico para el grado 23 (datos de ATI):
- Recocido: 704–732 °C (1300–1350 °F), de 1 a 8 horas, enfriamiento al aire
- Alivio del estrés: 482–649 °C (900–1200 °F), de 1 a 4 horas, enfriamiento al aire
- Tratamiento de solución: la misma ventana que en el grado 5 (904–954 °C), pero el transus inferior proporciona un margen de proceso ligeramente mayor.
Por qué, en la práctica, el grado 23 rara vez se clasifica como STA: Sus principales aplicaciones son los implantes quirúrgicos y los dispositivos ortopédicos (La norma ASTM F136 se refiere al grado 23 para implantes). En esas aplicaciones, se prefiere la máxima tenacidad a la fractura y la vida útil a la fatiga del estado recocido frente a la mayor resistencia del STA. El recocido a 704–732 °C proporciona una estructura alfa equiaxial de grano fino con una excelente tenacidad y ductilidad, exactamente lo que necesitan los tornillos óseos y los vástagos de cadera.
Las normas AMS 4930 y AMS 4931 se refieren a las barras y palanquillas de grado 23 en estado recocido. La norma ASTM F136 regula específicamente el grado 23 para implantes quirúrgicos..
Titanio tras el proceso LPBF: requisitos de tratamiento térmico para piezas fabricadas mediante fabricación aditiva
Si trabajas con titanio obtenido mediante fusión por lecho de polvo con láser (LPBF) o deposición de energía dirigida (DED), las normas de tratamiento térmico son, en su mayor parte, las mismas que para el titanio forjado, con una diferencia procedimental fundamental.
La norma ASTM F3301–18a (“Fabricación aditiva — Titanio 6Al-4V mediante fusión en lecho de polvo”) especifica que el posprocesamiento térmico del Ti-6Al-4V obtenido mediante LPBF se llevará a cabo según AMS 2801. Por lo tanto, se aplican los mismos intervalos de temperatura.
La diferencia fundamental radica en la secuencia y la atmósfera. Las piezas de LPBF se fabrican sobre un sustrato de impresión (placa base) y, durante la impresión, se generan tensiones residuales significativas entre la pieza y el sustrato. La secuencia es importante:
- Alivio de tensiones antes de retirar el sustrato. Aplicar el ciclo de alivio de tensiones AMS 2801 (normalmente a 593 °C / 1100 °F, durante 2 horas, al vacío) mientras la pieza sigue fijada al sustrato. De este modo se libera la mayor parte de la tensión residual de forma controlada.
- Retíralo del sustrato una vez finalizado el proceso de alivio de tensiones. Electroerosión por hilo o mecanizado.
- Recocido o STA tal y como exige la solicitud.
Si se realiza esta secuencia a la inversa —es decir, si se retira la pieza del sustrato antes de llevar a cabo cualquier proceso de alivio de tensiones—, se corre el riesgo de que se produzcan deformaciones o grietas, ya que las tensiones internas se liberan de forma incontrolada.
La atmósfera es un requisito imprescindible para el LPBF Ti-6Al-4V: Dado que el proceso LPBF produce piezas con forma definitiva y superficies complejas que no pueden mecanizarse fácilmente para eliminar la capa alfa, Todos los tratamientos térmicos a temperaturas superiores a 538 °C deben realizarse al vacío. (≤0,1 µm de Hg según la norma AMS 2801). El tratamiento en horno de aire no es aceptable para las piezas de titanio fabricadas mediante LPBF.
Esto descarta cualquier taller de tratamiento térmico que no cuente con hornos de vacío. Para los ingenieros que buscan servicios de tratamiento térmico para titanio fabricado mediante fabricación aditiva (AM), el cumplimiento de la norma AMS 2801 y la documentación adecuada sobre el nivel de vacío son los requisitos mínimos de cualificación.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la temperatura de recocido del Ti-6Al-4V?
El rango de recocido estándar para el Ti-6Al-4V (grado 5) es 691–760 °C (1275–1400 °F), que se mantiene entre ½ y 2 horas, seguido de un enfriamiento al aire o en horno. La norma AMS 2801 especifica 704 °C (1300 °F) / 2 horas como valor predeterminado para el recocido a nivel de pieza. Se pueden utilizar temperaturas de hasta 815 °C con una atmósfera protectora, pero, en caso de que haya contaminación (estado alfa), esta debe eliminarse.
¿Cuál es la temperatura beta transus del Ti-6Al-4V?
La fase beta transus del Ti-6Al-4V es de aproximadamente 995 °C (1820 °F), con una tolerancia indicada por el fabricante de ±14 °C (±25 °F). Los datos de producción de ATI para su producto 6-4 indican 999 °C ± 14 °C (1830 °F ± 25 °F). Todos los parámetros de tratamiento térmico del Ti-6Al-4V —recocido, tratamiento de solución, recocido beta— se definen en relación con esta temperatura. El grado 23 (ELI) tiene un transus más bajo, de aproximadamente 977 °C ± 4 °C.
¿En qué consiste el tratamiento de solución y envejecimiento (STA) del titanio?
El STA es un tratamiento térmico de endurecimiento en dos etapas para aleaciones de titanio alfa-beta. En primer lugar, la aleación se calienta a una temperatura inferior al transus beta (913–954 °C para el Ti-6Al-4V) y se enfría rápidamente en agua para fijar una fase supersaturada de beta/martensita. A continuación, se somete a un envejecimiento a una temperatura más baja (524–552 °C para el Ti-6Al-4V, entre 4 y 8 horas) para precipitar alfa secundaria fina, lo que aumenta la resistencia a la tracción en aproximadamente un 20% en comparación con el estado recocido. La norma AMS 4965 regula el tratamiento STA para barras y piezas forjadas de Ti-6Al-4V.
¿Se puede someter el titanio a un tratamiento térmico al aire?
Solo por debajo de 538 °C (1000 °F). Según la norma AMS 2801, las piezas de titanio no deben exponerse al aire a temperaturas superiores a 538 °C sin una atmósfera protectora o un recubrimiento. Por encima de esta temperatura, el oxígeno se difunde en la superficie y forma caso alfa — una capa dura y quebradiza, estabilizada con oxígeno, que reduce la vida útil frente a la fatiga. Todos los procesos de recocido, tratamiento de solubilización y envejecimiento a temperaturas superiores a 538 °C deben realizarse al vacío (≤0,1 µm Hg) o en atmósfera de gas inerte.
¿Cuál es la diferencia entre el alivio de tensiones y el recocido del titanio?
El alivio de tensiones (482–649 °C para el Ti-6Al-4V) elimina las tensiones residuales derivadas del mecanizado, la soldadura y el conformado sin alterar la microestructura. El recocido (691–760 °C) va más allá: recristaliza la microestructura y restaura la ductilidad completa. Si una pieza de Ti-6Al-4V se encuentra en el estado STA, un alivio de tensiones conserva las propiedades de envejecimiento; un recocido completo las destruye.
¿Qué especificación de la AMS se aplica al Ti-6Al-4V en estado de tratamiento de solución y envejecimiento?
AMS 4965 Abarca las barras y piezas forjadas de Ti-6Al-4V en estado de tratamiento de solución y envejecimiento (STA). La norma AMS 4928 abarca las mismas formas de producto en estado recocido. La norma AMS 2801 es la especificación de proceso que regula el ciclo de tratamiento térmico propiamente dicho, aplicado por el fabricante de las piezas.
¿Por qué no se puede reforzar el titanio de grado 2 mediante un tratamiento térmico?
El titanio de grado 2 es titanio comercialmente puro (CP): no contiene elementos estabilizadores de la fase beta significativos, como el vanadio. Al no haber fase beta, no se forman precipitados durante el envejecimiento. Las aleaciones de titanio CP solo pueden someterse a recocido (para ablandarlas y restaurar su ductilidad) o a un tratamiento de alivio de tensiones. El endurecimiento debe conseguirse mediante deformación en frío, en lugar de mediante tratamiento térmico.
¿Qué es el «alpha case» en el titanio y cómo se previene?
La capa alfa es una capa superficial rica en oxígeno y nitrógeno que se forma cuando el titanio se calienta por encima de los 538 °C en contacto con el aire. Metalmente, es similar al metal base, pero es más dura y más frágil. Prevención: realizar el tratamiento térmico únicamente al vacío o en atmósfera de gas inerte a temperaturas superiores a 538 °C, según la norma AMS 2801. Detección: sección transversal metalográfica; grabado sensible al espesor. Corrección: eliminación mecánica (esmerilado) o química (decapado ácido según la norma AMS 2801).
Resumen: Lo que realmente importa en el tratamiento térmico del titanio
Después de haber revisado miles de certificaciones de tratamiento térmico del Ti-6Al-4V y de haber detectado más de un rechazo inesperado, esto es lo que le diría a un ingeniero novel que se inicia en el mundo del titanio:
El transus beta es tu punto de referencia para todo. Ten en cuenta su calor específico, no solo el valor nominal. El Ti-6Al-4V tiene un calor específico de aproximadamente 995 °C, pero comprueba el informe de ensayo certificado del material (CMTR) para conocer el valor exacto del calor específico antes de ajustar las temperaturas del horno para el tratamiento de solubilización.
El titanio CP no puede endurecerse mediante tratamiento térmico. Si un diseño requiere una gran resistencia, la respuesta es Ti-6Al-4V STA — no se va a someter a tratamiento térmico 2.
El vacío no es opcional por encima de los 538 °C. Los fallos de tipo «alfa» se encuentran entre los más costosos en la producción aeroespacial: las piezas pueden superar todas las inspecciones dimensionales y, aun así, acabar en la chatarra. El coste de un ciclo adecuado en un horno de vacío es insignificante en comparación con el desguace de piezas acabadas o —lo que es peor— con los fallos de funcionamiento.
El tamaño de la sección limita la eficacia de la STA. El Ti-6Al-4V se endurece por completo en secciones de hasta aproximadamente 15-25 mm. Si su aplicación requiere propiedades STA en una sección transversal de 50 mm, deberá adoptar un enfoque de diseño diferente.
Primero, el alivio de tensiones; después, el mecanizado final. En el caso de piezas mecanizadas complejas, se debe realizar un tratamiento de alivio de tensiones tras el mecanizado en bruto para liberar las tensiones acumuladas antes de los cortes de acabado. Esta secuencia permite mantener unas tolerancias ajustadas y evita la deformación de las paredes delgadas.
Las temperaturas de recocido del grado 23 son ligeramente diferentes a las del grado 5. 704–732 °C frente a 691–760 °C: valores similares, pero la temperatura de transus beta más baja es importante, sobre todo para el tratamiento en solución. Utiliza los parámetros específicos del grado 23.
Los parámetros técnicos de esta guía proceden de la ficha técnica del Ti-6Al-4V de ATI, del documento sobre las propiedades del Timetal 6-4 de TIMET, de la ficha técnica del CP Ti Grado 2 de Carpenter Technology, de la norma AMS 2801D y de investigaciones publicadas en la revista «Thermal Processing Magazine» y en «Scientific Reports». Se trata de las mismas fuentes que utiliza un taller de tratamiento térmico para redactar sus instrucciones de trabajo, y son las fuentes adecuadas que deben citarse en un plano o en una orden de compra.
