Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Introducción al Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grado 4)
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, también conocido como titanio Grado 4 dentro de la familia de aleaciones aeroespaciales, es una aleación de titanio casi alfa diseñada para ofrecer una excelente resistencia a altas temperaturas, estabilidad térmica y resistencia a la corrosión. Esta aleación se utiliza ampliamente en turbinas de gas, estructuras aeronáuticas y otras aplicaciones que requieren un rendimiento a largo plazo bajo temperaturas elevadas.
Su fiable estabilidad mecánica y resistencia a la oxidación la convierten en un material preferido para piezas de titanio mecanizadas por CNC de alta especificación. Para aplicaciones que exigen tolerancias ajustadas y control dimensional en entornos extremos, los fabricantes dependen de avanzados servicios de mecanizado CNC para producir componentes de precisión a partir de titanio Grado 4.
Propiedades químicas, físicas y mecánicas del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grado 4)
Composición química (típica)
Elemento | Rango de composición ( % en peso) | Función principal |
|---|---|---|
Titanio (Ti) | Balance | Elemento base con resistencia a la corrosión y al calor |
Aluminio (Al) | 5.5–6.5 | Estabilizador alfa para resistencia a altas temperaturas |
Estaño (Sn) | 1.8–2.5 | Mejora la resistencia a la fluencia |
Zirconio (Zr) | 3.6–4.5 | Mejora la resistencia a la oxidación y la resistencia mecánica |
Molibdeno (Mo) | 1.8–2.5 | Estabilizador beta que incrementa la templabilidad |
Silicio (Si) | ≤0.25 | Refuerza la matriz y mejora la resistencia a la fluencia |
Oxígeno (O) | ≤0.15 | Aumenta la resistencia, pero afecta la ductilidad |
Hierro (Fe) | ≤0.30 | Elemento residual |
Hidrógeno (H) | ≤0.015 | Controlado para evitar fragilización |
Propiedades físicas
Propiedad | Valor (típico) | Norma/condición de ensayo |
|---|---|---|
Densidad | 4.55 g/cm³ | ASTM B311 |
Rango de fusión | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
Conductividad térmica | 6.8 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividad eléctrica | 1.62 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansión térmica | 8.5 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacidad calorífica específica | 570 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo elástico | 108 GPa | ASTM E111 |
Propiedades mecánicas (condición recocida)
Propiedad | Valor (típico) | Norma de ensayo |
|---|---|---|
Resistencia a la tracción | 860–980 MPa | ASTM E8/E8M |
Límite elástico (0.2%) | 790–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Alargamiento | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 300–340 HB | ASTM E10 |
Resistencia a la fluencia | Excelente | ASTM E139 |
Resistencia a la fatiga | Alta | ASTM E466 |
Características clave del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grado 4)
Resistencia a temperaturas elevadas: El Grado 4 mantiene alta resistencia y resistencia a la fluencia hasta 500°C, lo que lo hace adecuado para motores de turbina de gas, estructuras aeronáuticas y escudos térmicos.
Excelente resistencia a la oxidación: La adición de Zr y Sn favorece la formación de una capa de óxido estable, garantizando durabilidad a largo plazo en entornos de alta temperatura y ricos en oxígeno.
Resistencia a la fatiga térmica: Su equilibrio de aleación proporciona estabilidad bajo ciclos de calentamiento y enfriamiento, crucial para componentes aeroespaciales y de generación de energía.
Soldabilidad y estabilidad superiores: A pesar de ser una aleación casi alfa, es fácilmente soldable y mantiene el equilibrio de fases tras ciclos térmicos, ideal para conjuntos de alta presión.
Desafíos y soluciones de mecanizado CNC para titanio Grado 4
Desafíos de mecanizado
Alta tasa de endurecimiento por deformación: El Grado 4 tiende a endurecerse durante el contacto con la herramienta, requiriendo una carga de viruta optimizada y filos afilados para evitar distorsión superficial.
Baja conductividad térmica: Con solo 6.8 W/m·K de conductividad, la aleación retiene calor en la interfaz herramienta-viruta, reduciendo la vida de la herramienta y aumentando la probabilidad de deformación térmica.
Desgaste de herramienta y adherencia: La formación agresiva de óxidos y las zonas ricas en beta aceleran el desgaste y favorecen la adhesión de virutas a las herramientas, afectando el acabado superficial.
Recuperación elástica: Con un módulo de 108 GPa, la aleación presenta un retorno elástico apreciable, especialmente en piezas de pared delgada y operaciones de acabado.
Estrategias de mecanizado optimizadas
Selección de herramientas
Parámetro | Recomendación | Justificación |
|---|---|---|
Material de la herramienta | Carburo de grano fino o plaquitas cerámicas | Alta resistencia y resistencia al calor |
Recubrimiento | AlTiN o TiSiN (3–5 µm) | Reduce el filo recrecido (BUE) y aumenta la vida de la herramienta |
Geometría | Filo afilado, alto ángulo de desprendimiento | Reduce la fuerza de corte y el aporte térmico |
Velocidad de corte | 25–60 m/min | Evita el sobrecalentamiento y el endurecimiento superficial |
Avance | 0.10–0.25 mm/rev | Favorece la formación de viruta y evita el pulido superficial |
Refrigerante | Refrigerante en emulsión, ≥100 bar | Proporciona refrigeración efectiva y evacuación de virutas |
Parámetros de corte del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grado 4) (cumplimiento ISO 3685)
Operación | Velocidad (m/min) | Avance (mm/rev) | Profundidad de corte (mm) | Presión de refrigerante (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (a través de la herramienta) |
Acabado | 45–65 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Tratamiento superficial para piezas de titanio Grado 4
Prensado Isostático en Caliente (HIP) densifica microvacíos internos y aumenta la vida a fatiga, especialmente en componentes críticos para vuelo.
Tratamiento térmico implica envejecimiento a 600–675°C para mejorar la resistencia a la fluencia y la estabilidad dimensional en herrajes de turbina.
Soldadura de superaleaciones garantiza soldaduras por fusión de resistencia completa para conjuntos aeroespaciales y de propulsión utilizando varillas de aporte compatibles.
Recubrimiento de barrera térmica (TBC) añade protección contra la oxidación y la fatiga térmica para componentes en motores a reacción y reactores de alta temperatura.
Mecanizado CNC permite tolerancias de ±0.01 mm y es ideal para herrajes de vuelo, bridas de alto rendimiento y soportes.
Mecanizado por descarga eléctrica (EDM) permite características precisas como orificios y cavidades profundas en piezas tratadas térmicamente.
Taladrado profundo proporciona profundidades de taladro con L/D > 30:1 y acabado superficial Ra ≤ 1.6 µm en componentes estructurales y de refrigeración.
Ensayos de materiales incluyen tracción, rotura por fluencia, microestructura SEM y END ultrasónica según estándares de QA aeroespacial.
Ensayos y análisis de materiales
La validación de material para el Grado 4 incluye ensayos de tracción a alta temperatura, evaluación de rotura por fluencia, microdureza, XRD y análisis metalográfico, garantizando el cumplimiento de estándares aeroespaciales y nucleares.
Aplicaciones industriales del Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grado 4)
Aeroespacial: Carcasas de motor, componentes de postcombustión y herrajes de tobera que operan por encima de 400°C.
Generación de energía: Álabes de turbina de gas, conductos de escape y elementos de cámara de combustión de alta presión.
Sistemas de defensa: Conectores estructurales aeroespaciales y revestimientos de sistemas de propulsión que requieren resistencia a la temperatura.
Equipos industriales: Intercambiadores de calor y sellos de alta presión en entornos corrosivos y de ciclos térmicos.
Fijaciones aeroespaciales: Pernos y sistemas de brida para regiones con fatiga de alto ciclo y carga térmica elevada.
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