Investigación, Desarrollo y Aplicación de la Aleación de Titanio Ti6Al4V

La aleación Ti6Al4V fue desarrollada con éxito por primera vez en 1954. Es una aleación bifásica de tipo martensítico equiaxial que se ha convertido en una de las aleaciones de titanio más utilizadas a nivel mundial. Esta aleación se aplica ampliamente en componentes aeronáuticos, y su rendimiento frente a la fatiga ha sido un tema de investigación continuo.

Según el grado de refinamiento, la aleación Ti6Al4V se divide en Ti6Al4V estándar y Ti6Al4V (ELI). Su composición química se muestra en la Tabla 1. Las propiedades mecánicas medidas de esta aleación son: resistencia a la tracción (σb) de 896 MPa, límite elástico (σs) de 869 MPa, módulo de elasticidad (E) de 110 GPa, módulo de corte (G) de 42,7 GPa y densidad (ρ) de 4,43 g/cm³. Actualmente, Ti6Al4V representa el 50% de la producción total de aleaciones de titanio y el 95% de todas las piezas procesadas de aleación de titanio. Desde su creación, la investigación sobre esta aleación no ha cesado, y gracias a décadas de estudios, la tecnología de procesamiento ha alcanzado un alto grado de madurez.

Sin embargo, en los últimos años, los conceptos de diseño han evolucionado, pasando de un enfoque basado únicamente en la resistencia estática a principios de diseño de seguridad ante fallos y tolerancia al daño. Además, el desarrollo de nuevas aplicaciones ha reavivado el interés por la investigación de la aleación Ti6Al4V. Actualmente, se han realizado numerosos estudios para investigar los efectos de la microestructura, la textura, el tratamiento térmico, el tamaño de la sección transversal, la dirección de la carga, la relación de tensiones, el estado de la superficie y el entorno corrosivo en el rendimiento a la fatiga de esta aleación. Como resultado, Ti6Al4V ha vuelto a posicionarse como un material clave en nuevas aplicaciones.

Tabla 1: Composición química de la aleación Ti6Al4V y Ti6Al4V (ELI) (Porcentaje en masa, %)

1. Aplicación del tratamiento térmico β en la industria

Con la creciente demanda de mejorar la eficiencia y reducir los costos en la industria aeroespacial, reducir la densidad de los materiales y mejorar su rendimiento se ha vuelto cada vez más importante. Disminuir la densidad de los materiales puede aumentar la relación empuje-peso de los aviones, extender su alcance de vuelo y reducir el consumo de combustible. Una de las principales formas de reducir el peso de las estructuras aeronáuticas es utilizar aleaciones de titanio α+β que ofrecen alta resistencia específica y excelentes propiedades mecánicas generales, lo que permite reducir la masa en un 10% o más.

Al mismo tiempo, para garantizar la vida útil y la tolerancia al daño de los componentes, los materiales deben poseer buena tenacidad a la fractura y alta resistencia a la propagación de grietas. En comparación con otros materiales de ingeniería de alta resistencia, las aleaciones de titanio tienen un módulo de elasticidad bajo, lo que hace que los componentes diseñados según criterios de rigidez sean más gruesos y pesados en comparación con los diseñados según criterios de resistencia. Por lo tanto, mejorar el rendimiento general de las aleaciones de titanio α+β sigue siendo un objetivo clave para los investigadores.

La temperatura de forja convencional de las aleaciones de titanio generalmente se encuentra 40-50°C por debajo del punto de transformación de fase, lo que da como resultado una estructura de grano equiaxial tras el calentamiento y la deformación. Esta estructura proporciona buena resistencia a temperatura ambiente, excelente ductilidad y estabilidad térmica, pero las propiedades a alta temperatura, la tenacidad a la fractura y la resistencia a la propagación de grietas son relativamente pobres. Por otro lado, la forja β, realizada a temperaturas por encima del punto de transformación de fase, produce una estructura en cesta (basketweave), lo que mejora significativamente las propiedades de fluencia y resistencia a la fractura a alta temperatura, así como la tenacidad a la fractura y la resistencia a la propagación de grietas. Sin embargo, esto provoca una reducción significativa de la ductilidad y la estabilidad térmica.

Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado la teoría de la forja cercana a β (Near-β Forging Theory), que combina la teoría de la transformación de fase, la teoría del tratamiento térmico por deformación y la teoría del refuerzo y la tenacidad. Utilizando simulaciones numéricas por computadora aplicadas a los procesos de forja, esta teoría propone calentar y deformar el material a temperaturas entre 45 y 75°C por debajo del punto de transformación de fase, lo que genera una microestructura trifásica compuesta por α equiaxial, α lamelar y una matriz β transformada. Esta microestructura mejora la límite elástica, la resistencia a la fluencia a alta temperatura, la vida útil por fatiga de bajo ciclo, la tenacidad a la fractura y la resistencia a la propagación de grietas, sin comprometer la ductilidad y la estabilidad térmica, y también aumenta la temperatura de servicio del material.

Según la literatura, cuando la temperatura de forja se encuentra entre 45 y 75°C por debajo de la temperatura de transformación β, los valores de resistencia a la tracción y elongación a temperatura ambiente cumplen completamente con los requisitos del estándar GJB391-87. Esto se debe a que la diferencia significativa entre la temperatura de calentamiento y la temperatura de transformación β garantiza que, incluso con el aumento de temperatura debido a la deformación durante la forja, no se supere la temperatura de transformación β. Por lo tanto, la deformación ocurre completamente dentro de la zona bifásica (α+β), asegurando una tasa de deformación de aproximadamente el 70%. Después del proceso de forja final y el tratamiento térmico, la microestructura del producto terminado está compuesta principalmente por una estructura de grano equiaxial α+β.

2. Estudio sobre la influencia de la microestructura y la textura en el rendimiento

La direccionalidad de la deformación provoca la formación de una textura cristalina. Cuando la estructura del material en forma de lámina está uniformemente distribuida en todas las direcciones, se favorece un comportamiento de deformación más isotrópico, lo que ayuda a que las tasas de deformación en todas las direcciones sean similares y reduce la posibilidad de aparición de puntos débiles. A temperatura ambiente, el contenido de fase α en la aleación Ti6Al4V supera el 85 %. Cuando la orientación cristalina de la estructura hexagonal compacta (HCP) de la fase α es perpendicular o casi perpendicular a la superficie de la lámina, la dirección del espesor presenta la mayor densidad de textura y, por tanto, la mayor resistencia, lo que mejora el comportamiento del material en procesos de embutición profunda.

La aleación Ti6Al4V contiene 6 % de aluminio (estabilizador de fase α) y 4 % de vanadio (estabilizador de fase β), lo que le confiere excelentes propiedades mecánicas generales. Es ampliamente utilizada en la industria aeroespacial. Entre sus formas semiacabadas se incluyen barras, piezas forjadas, láminas, perfiles y alambres.

Influencia de la microestructura y la textura sobre las propiedades mecánicas

Las distintas microestructuras y texturas generan propiedades mecánicas diferentes:

• Una textura de alta densidad suele estar asociada a una mayor resistencia,

• mientras que una textura de baja densidad se asocia con una resistencia menor.

Mediante un proceso de deformación adecuado, es posible inducir en el material una textura favorable para posteriores operaciones de conformado. En el caso de las láminas, cuando la orientación de la textura es perpendicular o casi perpendicular a la superficie, la resistencia en la dirección del espesor se ve reforzada, y las propiedades en dirección longitudinal y transversal tienden a igualarse. Aunque la resistencia general puede ser algo inferior, el material presenta una excelente capacidad de conformado en frío y embutición.

Según estudios, diferentes procesos de laminación generan texturas y estructuras distintas, cada una de las cuales influye de forma específica en las características del material.

Influencia de la microestructura sobre el rendimiento del material

La aleación Ti6Al4V se utiliza principalmente en estado recocido (annealed), aunque también puede emplearse en estado templado y envejecido (quenched and aged). En cada uno de estos estados, la influencia de la microestructura sobre el rendimiento varía considerablemente.

• En estado recocido:

• Tanto en condiciones de fatiga en muestras lisas como en fatiga con muesca, la estructura laminar presenta un límite de fatiga superior al de la estructura bimodal.

• Sin embargo, en zonas de alta tensión, la estructura bimodal ofrece mejor resistencia a la fatiga que la estructura laminar.

• En estado templado y envejecido:

El rendimiento frente a la fatiga sigue el orden decreciente siguiente:

Bimodal > equiaxial fina > laminar fina > equiaxial gruesa > laminar gruesa

Además, cuando hay diferencias significativas en el tamaño del grano macroscópico, incluso si el tipo de microestructura es el mismo, las propiedades de fatiga del material pueden variar considerablemente. Por lo tanto, el control de la microestructura y del tamaño de grano en las piezas forjadas es fundamental para garantizar un rendimiento óptimo.

3. Influence des méthodes de fusion et de forgeage sur la microstructure et les propriétés des lopins en Ti6Al4V

Grâce à ses excellentes performances mécaniques à température ambiante et à sa bonne résistance à la chaleur, l’alliage de titane Ti6Al4V est largement utilisé pour la fabrication de composants critiques soumis à des charges complexes, tels que le revêtement des avions, les disques et aubes de compresseur, ainsi que les réservoirs de carburant des moteurs spatiaux. Ces pièces présentent des exigences de qualité très strictes, c’est pourquoi chaque étape du processus de production — de la fusion au forgeage, en passant par l’élaboration du lopin, le laminage et le traitement thermique — doit être rigoureusement contrôlée.

Les défauts introduits au stade de la fusion et de la mise en forme primaire sont difficiles à éliminer lors des étapes ultérieures, d’où l’importance de maîtriser la microstructure et les propriétés des matériaux de départ. Des essais ont montré que pour le forgeage du Ti6Al4V, la triple fusion par refusion à l’arc sous vide (VAR) combinée à un forgeage à 1150 °C dans le domaine β avec des déformations alternées par compression et étirage permet d’obtenir une microstructure homogène, avec un taux de déformation élevé, menant à une structure α + β équiaxe homogène après traitement thermique.

Il a également été démontré qu’en forgeant plusieurs fois un lingot dans le domaine biphasé α+β, puis en le laminant et en le recuisant, on peut produire des tôles épaisses conformes à la norme XJ/BS5154. Des études ont exploré l’utilisation de la technique du laminage en paquets (pack rolling) pour développer des tôles minces de grande largeur en Ti6Al4V, tout en analysant l’effet du mode de laminage, du taux de déformation et des traitements thermiques sur les propriétés et la microstructure des produits finis.

Deux itinéraires technologiques ont été appliqués sur un laminoir réversible à 4 cylindres de 3,3 mètres :

1. Traitement β suivi d’un laminage dans le domaine α+β ;

2. Laminage et mise en forme entièrement dans le domaine α+β.

Après traitement thermique et finition de surface, les tôles obtenues répondent aux exigences de la norme Q/BS5508-1999 en termes de propriétés mécaniques, microstructure, qualité de surface et planéité. Avec un contrôle de procédé adéquat, il est ainsi possible de produire des matériaux de départ conformes aux exigences structurelles et mécaniques.

4. Forgeage isotherme et mise en forme superplastique du Ti6Al4V

Le Ti6Al4V est l’un des alliages de titane α+β les plus utilisés. Grâce à sa résistance élevée et sa bonne ductilité, sa part dans les avions de chasse modernes peut atteindre 40 %, contribuant de manière significative à améliorer le rapport poussée/poids des moteurs, la vitesse de vol et les performances en combat.

Cependant, cet alliage présente plusieurs défis :

• Forte résistance à la déformation,

• Température de travail élevée,

• Plage de température de mise en forme étroite,

• Coût élevé.

Le forgeage conventionnel ne permet souvent de produire que des pièces massives, avec un rendement matière de seulement 10 à 20 %, et parfois moins de 10 % pour certaines structures aéronautiques, ce qui entraîne une grande perte de matière. La mauvaise usinabilité augmente encore le coût de fabrication, et le contrôle de la microstructure dans les pièces massives est difficile, générant des variations de performance importantes.

L’une des solutions à ces problèmes est la mise en œuvre du forgeage de précision (near-net-shape), visant à réduire voire éliminer l’usinage.

Avantages du forgeage isotherme

Pour répondre à la faible plage de mise en forme thermique, le forgeage isotherme représente une solution technologique clé, en exploitant les propriétés superplastiques du titane à certaines températures.

À mesure que la température diminue, la résistance à la déformation du titane augmente fortement :

• Le forgeage classique nécessite 390 à 590 MPa,

• Le forgeage de précision demande 490 à 980 MPa.

Ces efforts importants imposent des contraintes sévères sur les outillages, entraînant un échauffement local, un ramollissement et une réduction de la durée de vie des matrices, ce qui freine l’application du forgeage de précision.

En revanche, dans des conditions superplastiques :

• Il n’y a pas de couche froide en surface,

• Une couche de lubrifiant entre la pièce et l’outil réduit la friction,

• La contrainte de déformation requise est beaucoup plus faible : 80 à 100 MPa,

• Même les formes complexes ne dépassent pas 200 MPa,

• Le tout sous pression statique.

Ainsi, le forgeage isotherme permet d’obtenir des pièces de précision avec une presse 5 à 10 fois moins puissante que pour le forgeage conventionnel.

Problème des zones mortes et rôle du forgeage isotherme

Dans le forgeage traditionnel, il existe souvent des zones mortes (zones de non-déformation), qui entraînent une microstructure hétérogène. Cela est dû au refroidissement des matrices et à la friction, qui limitent la déformation dans les couches de surface, empêchant la fragmentation des grains grossiers initiaux.

Pour compenser, il est courant de prévoir un surépaisseur et de l’enlever par usinage — une pratique qui augmente les pertes de matière et empêche une vraie précision de forgeage.

En revanche, avec le forgeage isotherme ou à chaud, ces zones mortes disparaissent presque entièrement. Ainsi, pour des pièces de précision, il est impératif d’utiliser une préforme obtenue par forgeage isotherme, sans quoi les zones mortes compromettraient la qualité.

Fiabilité du procédé et validation industrielle

Le forgeage isotherme réduit fortement l’influence humaine. L’opérateur transfère la pièce d’un four à température contrôlée vers une matrice également préchauffée ; le forgeage est ensuite effectué automatiquement par presse hydraulique selon des paramètres préprogrammés, jusqu’à la fin du cycle. Seul le démoulage est manuel. Cette automatisation garantit une excellente stabilité du procédé, idéale pour la production de pièces de précision.

Des études ont montré que des arbres creux avant haute pression en Ti6Al4V produits par forgeage isotherme ont une surface lisse, une réduction de masse de 60 % par rapport au forgeage conventionnel, une économie importante de matériau et de temps d’usinage, tout en respectant les exigences chimiques, mécaniques et métallographiques.

Ces pièces ont été testées sur plusieurs moteurs, avec un temps d’essai cumulé de 1 007 heures, dont 249 heures sur un seul moteur, sans aucun défaut constaté, répondant parfaitement aux exigences de conception.

En parallèle, des chercheurs ont étudié les outillages et procédés de formage à chaud pour coques complexes en alliage de titane, en analysant l’influence des paramètres comme la température de chauffe et la vitesse de formage. En utilisant des tubes extrudés en Ti6Al4V, une mise en forme en deux étapes à 780 °C (première passe à 7 mm/s, deuxième à 5 mm/s) a permis de produire des coques complexes conformes aux spécifications techniques.

5. Simulación de la microestructura y predicción del rendimiento del Ti6Al4V

Durante el proceso de conformado a alta temperatura, el metal experimenta recristalización dinámica y estática, generando nuevos granos. Esta evolución de la microestructura influye en gran medida en las propiedades mecánicas macroscópicas del producto final. Controlar el tamaño de grano a través del procesamiento térmico y refinar la estructura es una estrategia clave para mejorar el rendimiento mecánico del material.

Los estudios han demostrado que el tamaño de los granos recristalizados y el porcentaje de recristalización dependen no solo del tamaño inicial del grano y del contenido de elementos traza, sino también —y especialmente— de la temperatura, la deformación y la velocidad de deformación durante el proceso de conformado y enfriamiento.

En los últimos años, el método de los elementos finitos (FEM) ha logrado avances importantes en la simulación numérica del proceso de conformado en caliente, permitiendo predecir con precisión la distribución de los parámetros de deformación. Esto proporciona una herramienta poderosa para analizar los cambios microestructurales durante el procesamiento térmico.

Actualmente, la simulación del conformado en caliente ha evolucionado de estudiar solo los parámetros de deformación a predecir la evolución de la microestructura del metal, e incluso a predecir las propiedades mecánicas finales (como el límite elástico, la resistencia a la tracción, la elongación y la dureza), lo que constituye un área de investigación clave en el campo del conformado plástico de metales. Este avance sin duda impulsará el desarrollo tecnológico y mejorará el rendimiento de los productos.

Mediante técnicas de análisis metalográfico cuantitativo, se estudió la evolución microestructural del Ti6Al4V durante la deformación a alta temperatura. Sobre esta base, se utilizó un modelo lineal dinámico difuso (FDLM) basado en la teoría de conjuntos difusos para describir los cambios microestructurales del Ti6Al4V durante el conformado en caliente.

Para establecer el modelo predictivo, se utilizaron datos experimentales de las fracciones volumétricas y tamaños de la fase α del Ti6Al4V obtenidos bajo diferentes condiciones de proceso (temperatura de deformación, grado de deformación y velocidad de deformación). Mediante regresión lineal, se determinaron los parámetros del modelo y se construyó una herramienta de predicción para la evolución microestructural del Ti6Al4V en condiciones de alta temperatura.

La comparación entre los resultados experimentales y los obtenidos con el modelo mostró que el modelo es confiable y preciso.

6. Desarrollo de las aplicaciones del Ti6Al4V

Con el avance de la ciencia y la tecnología, el titanio y sus aleaciones han ganado cada vez más atención gracias a sus excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, biocompatibilidad y un módulo elástico similar al del hueso humano, lo que ha impulsado su uso extensivo en implantes médicos.

El uso del titanio en el cuerpo humano comenzó en la década de 1950, utilizando principalmente la aleación Ti6Al4V como material para implantes. Hasta hoy, el Ti6Al4V sigue siendo la aleación dominante en aplicaciones médicas implantables.

Además, gracias a sus atractivas propiedades, las aleaciones de titanio también han encontrado amplias aplicaciones en la industria automotriz, especialmente en coches deportivos y de competición. Por ejemplo, los asientos de válvula fabricados con Ti6Al4V tienen una producción anual de más de 250 000 unidades, y ofrecen una reducción de peso de 10 a 12 gramos por pieza en comparación con los componentes de acero, lo que contribuye a mejorar el rendimiento del vehículo y reducir el consumo de combustible.