Resumen de los materiales de aleación de titanio para fijaciones aeroespaciales

Las fijaciones, como componentes básicos universales esenciales, desempeñan un papel fundamental en la industria y a menudo se las denomina “el arroz de la industria”.

Según su tipo, las fijaciones se dividen en 13 categorías principales: pernos, tornillos, espárragos, tuercas, tornillos para madera, tornillos autorroscantes, arandelas, remaches, pasadores, anillos de retención, conjuntos de unión y conjuntos de fijación. Según el ámbito de aplicación, se clasifican en fijaciones de uso general y fijaciones aeroespaciales. En el sector aeronáutico, el ensamblaje mecánico sigue siendo la principal forma de unión, y la conexión de las partes del avión depende en gran medida de una gran variedad de fijaciones. En el ámbito espacial, las uniones entre las secciones de las aeronaves también se realizan mediante fijaciones.

Con el avance hacia el aligeramiento de los equipos, las fijaciones aeroespaciales emplean cada vez más materiales de aleación de titanio. A nivel internacional, el uso de fijaciones de titanio se remonta a los años 50, cuando Estados Unidos fue pionero en utilizar pernos de la aleación Ti-6Al-4V en el bombardero B-52, logrando una notable reducción de peso. Esto marcó el inicio del uso de fijaciones de titanio en el sector aeroespacial. Actualmente, en países desarrollados como Estados Unidos y Francia, más del 95% de las fijaciones de titanio se fabrican con la aleación Ti-6Al-4V, reconocida a nivel mundial. En algunos modelos avanzados de aeronaves, las fijaciones de titanio han reemplazado por completo al acero 30CrMnSiA.

Por ejemplo, el uso de fijaciones de titanio en el avión de transporte militar estadounidense C-5A permitió reducir su peso en aproximadamente 4.500 kg. En el avión civil Boeing 747, sustituir las fijaciones de acero por titanio redujo el peso en unos 1.814 kg. En Rusia, las fijaciones de aleación de titanio y sus sistemas de aleación se han aplicado en modelos como el Il-76, Il-86, Il-96, Tu-204, An-72 y An-124, reduciendo significativamente el peso de las aeronaves. El Il-76 utiliza aproximadamente 142.000 fijaciones de titanio, logrando una reducción de peso de 600 kg.

En China, el desarrollo de fijaciones de aleación de titanio comenzó en 1965. En los años 70, diversas instituciones realizaron investigaciones sobre remaches de aleación de titanio y sus aplicaciones. En los años 80, pequeñas cantidades de remaches y pernos de titanio comenzaron a utilizarse en algunos aviones militares de segunda generación. A finales de los años 90, con la introducción de líneas de producción de aviones de combate de tercera generación y el desarrollo de modelos nacionales, China empezó a emplear fijaciones de titanio. En los últimos años, con el rápido desarrollo de la industria aeroespacial china, varias instituciones han llevado a cabo investigaciones sobre materiales de aleación de titanio para fijaciones y sobre las tecnologías de fabricación correspondientes. Las fijaciones de titanio se utilizan ahora ampliamente en el sector aeroespacial, y también se emplean en grandes cantidades en la aviación civil. Según los datos disponibles, cada avión chino C919 requiere alrededor de 200.000 fijaciones de aleación de titanio. Según el plan de producción de 150 aviones al año en 2018, la demanda anual sería de aproximadamente 30 millones de fijaciones de aleación de titanio.

1. Ventajas de las aleaciones de titanio para elementos de fijación

La siguiente tabla muestra una comparación de las propiedades de las aleaciones de titanio y los aceros utilizados en fijaciones. Las aleaciones de titanio ofrecen las siguientes ventajas cuando se utilizan en elementos de fijación:

1. Baja densidad

Las aleaciones de titanio tienen una densidad significativamente menor que los materiales de acero, por lo que los elementos de fijación de titanio son mucho más ligeros.

2. Alta resistencia específica

El titanio es uno de los materiales metálicos comunes con mayor relación resistencia/peso. Gracias a esta ventaja, incluso puede sustituir a aleaciones de aluminio más ligeras. Bajo la misma carga externa, los componentes de titanio pueden diseñarse con dimensiones más pequeñas, lo que permite ahorrar espacio, algo de gran valor en la industria aeroespacial.

3. Alto punto de fusión

El punto de fusión de las aleaciones de titanio es mucho más alto que el del acero, lo que proporciona una excelente resistencia térmica a los elementos de fijación de titanio.

4. Bajo coeficiente de expansión térmica y módulo de elasticidad

Esto contribuye a una mayor estabilidad dimensional bajo cambios de temperatura.

5. No magnético

Las aleaciones de titanio tienen una permeabilidad magnética extremadamente baja, prácticamente despreciable, por lo que los elementos de fijación de titanio son no magnéticos y evitan eficazmente la interferencia de campos magnéticos. Aunque los aceros inoxidables austeníticos también son no magnéticos, pueden volverse magnéticos tras procesos de trabajo en frío. En cambio, las aleaciones de titanio conservan sus propiedades no magnéticas incluso tras procesamiento térmico o mecánico, lo que las hace ideales para aplicaciones en equipos electrónicos aeronáuticos.

6. Alta relación límite elástico/resistencia a la tracción

En el diseño de elementos de fijación sometidos a cargas de tracción, el límite elástico es el criterio más importante, ya que una vez que el elemento se deforma plásticamente, pierde su capacidad de sujeción. Las aleaciones de titanio tienen un límite elástico cercano a su resistencia a la tracción, lo que proporciona una alta relación y mayor seguridad.

7. Potencial eléctrico compatible con materiales compuestos de fibra de carbono

Una de las razones más importantes para la amplia utilización del titanio en fijaciones es que su potencial electroquímico es compatible con el de los compuestos de fibra de carbono, lo que ayuda a prevenir eficazmente la corrosión galvánica.

8. Otras ventajas

Las aleaciones de titanio también presentan excelente resistencia a la corrosión y buena resistencia a la fluencia (creep).

Comparación de propiedades de materiales para fijaciones

2. Aleaciones de titanio para elementos de fijación y sus propiedades

Las aleaciones de titanio utilizadas en elementos de fijación están estrechamente relacionadas con los procesos de fabricación y las aplicaciones finales de dichas piezas.

Por un lado, el proceso de fabricación de fijaciones de titanio generalmente se divide en tres etapas:

1. Deformación plástica, como el encabezado (heading), reducción de diámetro y laminado de roscas;

2. Fortalecimiento superficial, como el refuerzo de la zona de transición entre la cabeza del perno y el cuerpo;

3. Mecanizado, como el torneado, fresado y rectificado.

Por otro lado, según el tipo de aplicación, se requieren diferentes propiedades mecánicas, lo que implica el uso de distintas aleaciones de titanio.

Por ejemplo, un remache necesita buena ductilidad, ya que uno o ambos extremos se deben abocardar durante la instalación.

Un perno, por el contrario, necesita alta resistencia, comparable a la de aceros de alta resistencia como el 30CrMnSiA, lo que requiere el uso de aleaciones de titanio de alta resistencia.

Teniendo en cuenta ambos factores —proceso y aplicación—, las aleaciones de titanio para fijaciones se pueden clasificar en tres grandes grupos:

• Titanio comercialmente puro,

• Aleaciones α+β,

• Aleaciones β,

como se muestra en la tabla 2.

Según dicha tabla, las aleaciones Grade 1 y Grade 2 corresponden al titanio comercialmente puro.

Las aleaciones α+β incluyen Ti-6Al-4V, Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Ti-662, entre otras.

Las aleaciones β son principalmente β metastables, ya que su equivalente en molibdeno (Mo_eq) suele ser cercano al 10 %.

Si el Mo_eq < 10 %, se denominan aleaciones near-β y su endurecimiento por tratamiento térmico es limitado.

Si el Mo_eq > 10 %, son aleaciones β estables, cuya fase β es difícil de descomponer durante el envejecimiento térmico.

Por eso, las aleaciones β metastables ofrecen el mejor efecto de endurecimiento.

Además, las aleaciones β metastables presentan excelente capacidad de conformado en frío, lo que permite el conformado sin calentamiento ni atmósferas protectoras, aumentando la eficiencia de producción, el aprovechamiento del material y garantizando alta precisión dimensional y buena calidad superficial.

En contraste, las aleaciones α+β deben formarse mediante conformado en caliente, lo que requiere equipos especiales de calentamiento y protección gaseosa, con menor eficiencia y mayor riesgo de calentamiento desigual.

Tabla 2 – Aleaciones de titanio para elementos de fijación

Tabla 3 – Propiedades mecánicas de aleaciones de titanio para remaches

Notas:

Rm = resistencia a la tracción; A = elongación; Ψ = reducción de área; τ = resistencia al corte

Tabla 4 – Propiedades mecánicas de aleaciones de titanio para pernos (estado: solubilizado + envejecido)

Notas:

Rm = resistencia a la tracción; Rp0.2 = límite elástico; A = elongación; Ψ = reducción de área; τ = resistencia al corte

3. Aleaciones de titanio clave para elementos de fijación

Aleación de titanio Ti-6Al-4V

La aleación Ti-6Al-4V es una aleación bifásica (α+β) de titanio de resistencia media y es la más investigada y utilizada en el ámbito de las aleaciones de titanio. La mayoría de los elementos de fijación de titanio están hechos de Ti-6Al-4V.

Su fabricación requiere forjado en caliente con equipos especializados de calentamiento y conformado, lo que reduce la eficiencia de producción y el aprovechamiento del material.

Para elementos de fijación de alta resistencia, Ti-6Al-4V no cumple con los requisitos: su resistencia a la tracción máxima tras tratamiento térmico es de 1100 MPa y la resistencia al corte ronda los 650 MPa. Debido a su baja templabilidad, el diámetro de sección transversal se limita generalmente a menos de 19 mm.

Ti-6Al-4V se emplea en pernos, pernos de alta resistencia, remaches ciegos, tornillos y remaches con ranura circular, y ha sido ampliamente adoptado en aeronaves, motores, sistemas embarcados, vehículos espaciales y satélites en China.

Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si

Esta es una aleación bifásica (α+β) tipo martensítica con excelentes propiedades globales. Generalmente se utiliza en estado recocido, aunque también puede fortalecerse mediante tratamiento térmico. Tiene buena resistencia a la oxidación.

Ti-3Al-5Mo-4.5V

Una aleación bifásica típica reforzada por tratamiento de solución y envejecimiento. Tras el tratamiento, muestra buena ductilidad a temperatura ambiente y excelente capacidad de conformado en frío, con una relación de conformado de hasta 1:4.

En la fabricación de fijaciones, puede formarse por estampado tanto en frío como en caliente. Se usa en pernos, tornillos y tuercas autoblocantes.

Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V

Aleación de titanio β metastable con excelente formabilidad en frío y buena soldabilidad en estado de solución. Se utiliza para fabricar carcasas corrugadas de satélites, bandas de unión entre satélite y lanzador, remaches conformados en frío y pernos. Ha sido adoptada en componentes críticos de la industria aeroespacial.

Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al

Aleación β metastable que puede reforzarse por tratamiento térmico. Tiene excelente formabilidad en frío en estado de solución, con una relación de estampado en frío de hasta 2.8. Tras el envejecimiento, alcanza una resistencia elevada y se usa para fabricar fijaciones aeroespaciales de hasta 1100 MPa de resistencia.

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al

Aleación β metastable con excelente capacidad de conformado en frío, comparable a la del titanio comercialmente puro. Después del tratamiento de solución, permite el conformado en frío de múltiples tipos de fijaciones. Tras el envejecimiento, alcanza una resistencia a la tracción de hasta 1000 MPa. Boeing la ha utilizado en sus aviones, y China la aplica en remaches conformados en frío para estructuras de cúpulas de cazas y paneles de satélites.

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo

Aleación β21S metastable con excelente capacidad de procesamiento en caliente y frío, buena templabilidad, resistencia al creep y a la corrosión. Gracias al uso de elementos β-estabilizadores con alto punto de fusión y baja difusión (Mo y Nb), esta aleación posee excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas, hasta 100 veces superior a la del Ti-15-3. Actualmente, pernos de alta resistencia fabricados con esta aleación se utilizan ampliamente en programas aeroespaciales clave de China.

Comparación de oxidación: Ti-3Al-2.7Nb-15Mo vs Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn

Ti-45Nb

Aleación de titanio β estable, diseñada específicamente para remaches. Inicialmente, se utilizaba titanio puro, pero su baja resistencia no lo hacía adecuado para zonas de alta carga. Se requería una aleación con ductilidad similar al titanio puro pero con mayor resistencia.

Las aleaciones β metastables comunes tienen alta resistencia a la deformación y baja ductilidad a temperatura ambiente.

Ti-45Nb fue desarrollada para superar estos problemas. Tiene excelente ductilidad a temperatura ambiente (elongación del 20 %, reducción de sección del 60 %) y muy buena aptitud al procesamiento en frío.

En comparación con el titanio puro, Ti-45Nb presenta mayor resistencia a la tracción (450 MPa) y al corte (350 MPa).

4. Tendencias de desarrollo futuro

Elementos de fijación de aleación de titanio de ultra alta resistencia

Con el desarrollo continuo del sector aeroespacial en China, las tecnologías de unión utilizadas en los nuevos modelos de aeronaves y vehículos espaciales siguen mejorando, lo que genera nuevas exigencias para los elementos de fijación.

Una de las principales tendencias de futuro es el desarrollo de elementos de fijación de aleaciones de titanio con resistencia a la tracción entre 1200 y 1500 MPa y resistencia al corte ≥750 MPa.

Elementos de fijación de aleación de titanio resistentes a altas temperaturas

Actualmente, la temperatura de servicio de las aleaciones de titanio utilizadas en fijaciones no es muy elevada (véase la tabla 5).

Sin embargo, en el ámbito aeroespacial, el aumento de la velocidad de vuelo de aeronaves y vehículos espaciales exige que los materiales soporten temperaturas más altas.

Por lo tanto, otra tendencia clave es el desarrollo de elementos de fijación resistentes a altas temperaturas, especialmente en el campo espacial, donde se requiere que nuevas aleaciones de titanio soporten temperaturas de 600 a 800 °C durante periodos cortos.

La aleación Ti₂AlNb se ha utilizado como sustituto de aleaciones superresistentes más pesadas, pero presenta una gran deformación y sigue siendo relativamente pesada en comparación con otras aleaciones de titanio, lo que impide cumplir con los requisitos de aligeramiento.

Además, los compuestos intermetálicos Ti-Al tienen mala plasticidad y su tecnología aún no está madura. Por ello, las aleaciones de titanio resistentes al calor para fijaciones seguirán basándose en aleaciones de tipo casi α y aleaciones α+β con alto contenido de aluminio.

A altas temperaturas, la mejora de la resistencia y del comportamiento frente a la fluencia en las aleaciones de titanio depende principalmente del refuerzo por solución sólida con elementos como Al, Sn y Zr.

Sin embargo, por las limitaciones del equivalente de aluminio, no se puede aumentar indefinidamente su concentración. Por ello, se recurre al aleado múltiple para complementar el refuerzo, manteniendo un equilibrio con los niveles de Al, Sn y Zr.

Los elementos estabilizadores β, como el Mo (molibdeno), mejoran la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia. El Nb (niobio), el Cr (cromo) y el V (vanadio) tienen efectos similares.

Además, pequeñas cantidades de estabilizadores β pueden ayudar a prevenir la fragilización de la aleación.

El contenido de Si (silicio) también es crucial. Añadiendo alrededor del 0,2 % en masa de Si, se forman siliciuros de forma elipsoidal que se precipitan de forma no homogénea en los bordes de las placas α, bloqueando eficazmente el movimiento de dislocaciones. Esto crea un efecto de refuerzo por dispersión que mejora significativamente la resistencia a la fluencia.

No obstante, los siliciuros pueden perjudicar la estabilidad térmica de la estructura, reduciendo la ductilidad y favoreciendo la ordenación del sistema, lo que puede provocar la formación de la fase Ti₃Al.

Por ello, el contenido de Si debe mantenerse bajo, generalmente no superior al 0,5 % en masa.

�� En resumen, el aleado múltiple con refuerzo combinado seguirá siendo una dirección clave para el diseño de nuevas aleaciones de titanio resistentes al calor para elementos de fijación.

Tabla 6: Temperatura de uso de aleaciones de titanio comunes para fijaciones