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El titanio, sus aleaciones y la impresión 3D de Ti6Al4V

Publicado el febrero 2, 2021 por Sergio Ramírez
Ti6Al4V

El titanio y sus aleaciones tienen gran importancia en la impresión 3D, siendo la más importante la aleación Ti6Al4V. El titanio es un material metálico que se encuentra en la naturaleza combinado en forma de oxido, concretamente en rutilo (TiO2) o ilmenita (FeTiO3). La extracción del titanio puro se realiza empleando el Método de Kroll. De forma básica y simplificada consiste en la obtención de tetracloruro de titanio (TiCl4) por cloración a 1000ºC en presencia de óxido de carbono, el cual se reduce posteriormente con magnesio o sodio molido en una atmósfera inerte a una temperatura de entre 800-850ºC, obteniendo titanio puro. La elevada reactividad del titanio hace difícil su obtención como metal puro, por lo que una muestra de pureza 99,9% es catalogada como titanio comercialmente puro. Debido a ello generalmente se usa combinado con otros elementos formando una aleación.

Las principales propiedades del titanio son su elevada resistencia mecánica, baja densidad y excelente resistencia a la corrosión. Este conjunto de propiedades hace que el titanio y sus aleaciones sean materiales atractivos para diversos sectores como el aeronáutico, aeroespacial, medico, etc., siendo la única desventaja su elevado precio. Además, debido a las propiedades que presenta sus aleaciones, son materiales muy interesantes y con elevado potencial para la fabricación de piezas y elementos mediante fabricación aditiva.

Ti6Al4V

Freno de Bugatti impreso en titanio mediante fabricación aditiva. | Créditos: Bugatti

Clasificación y tipos de aleaciones de titanio

Las aleaciones de titanio se dividen en tres grupos: α, α + β y β, en función de la fase o fases presente en la microestructura de la aleación. En este punto, muchos os preguntaréis ¿Qué es la microestructura y que es una fase? La microestructura es la estructura visible de un material mediante un microscopio óptico o electrónico, la cual aporta información sobre el tamaño, forma y orientación de los cristales individuales o granos que forman un material. Además, la microestructura define en gran medida las propiedades del material. Por el contrario, una fase es una región del material con propiedades físicas y químicas homogéneas. Así mismo, difiere en su microestructura y/o composición de otra región. Ambas características del material dependen de la velocidad de enfriamiento desde su estado líquido a su estado sólido y del tratamiento térmico aplicado.

La clasificación en cada uno de los grupos depende de los elementos con los que se combine el titanio. En las aleaciones de tipo α predominan los elementos α-estabilizadores (Aluminio, Carbono, Oxígeno, Nitrógeno). Las aleaciones α destacan por sus bajas propiedades mecánicas en comparación al resto de las aleaciones de titanio y su excelente resistencia a la corrosión. Dentro de este grupo las aleaciones más empleadas son: Ti3Al2.5V y Ti5Al2.5V. Las aleaciones tipo β se han desarrollado con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del material. Estas aleaciones presentan β estabilizadores (Hierro, Molibdeno, Vanadio), siendo algunas de las utilizadas las Ti10.2.3, Ti555.3 y Ti17.

Por último, las aleaciones tipo α + β son las más estudiadas y contienen elementos tanto α-estabilizadores como β estabilizadores, que dan lugar a una microestructura mixta con una buena combinación de propiedades. La aleación más usada es la Ti6Al4V que ocupa un 56% del mercado total del Ti debido a un equilibrio entre resistencia mecánica, ductilidad, resistencia a fatiga y tenacidad de fractura. Por tipología de aleación la utilización en el mercado se divide en un 26% (α), 4% (β) y 70% (α + β).

Ti6Al4V

A la izquierda una microestructura Ti6Al4V equiaxial (estado de recepción sin tratamiento térmico). A la derecha el diagrama de fases Ti6Al4V.

Impresión 3D de la aleación Ti6Al4V

De la misma manera que en el mercado general, en la impresión 3D la aleación Ti6Al4V es la más importante debido a que posee alta resistencia, baja densidad, excelente resistencia a la corrosión y elevada biocompatibilidad. Este conjunto de propiedades hacen que sea utilizada en diferentes industrias como la automovilística, aeroespacial, médica/biomédica, química o militar, entre otras.

La impresión 3D de piezas y elementos empleando Ti6Al4V parte de la obtenido de la aleación en forma de polvo. Para ello se emplean principalmente dos técnicas: atomización por plasma o atomización por gas. La atomización por plasma se emplea en la producción de polvo de materiales reactivos (Ti6Al4V). La técnica consiste en la alimentación de alambres de la aleación en la tolva del atomizador. Estos se funden mediante un soldador de plasma y a medida que el metal fundido cae se solidifica creando partículas esféricas. La atomización por gas es la técnica más empleada. Mediante esta técnica se incorporan el material fundido en una boquilla y se rompe en una corriente de gas inerte (Ar o N). La corriente de gas solidifica el material fundido dando lugar a partículas esféricas que se depositan y recogen en el fondo de la cámara.

Las técnicas de fabricación de polvo metálico, en este caso de Ti6Al4V, es muy importante ya que otorga el tamaño de partícula y las características del polvo metálico, las cuales condicionan las propiedades de la pieza o elemento final. Actualmente se comercializan tres tipos de polvo de Ti6Al4V. TC4 de acuerdo a la norma GB/T 3620.1-2017, Ti6Al4V grado 5 y Ti6Al4V grado 23 de acuerdo a la norma ASTM B348-13. Los tres tipos se diferencian en la distribución del tamaño de partícula, el cual limita el espesor mínimo de capa impresa. Por último, las técnicas de impresión 3D más empleadas utilizando Ti6Al4V son el DMLS y el SLM, en función del tipo de pieza y las propiedades que se desean lograr.

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