Ti-6Al-4V (TC4)
Introducción a Ti-6Al-4V (TC4)
Ti-6Al-4V, también conocido como TC4 o Titanio Grado 5, es una aleación de titanio alfa-beta reforzada con 6% de aluminio y 4% de vanadio. Es la aleación de titanio más utilizada debido a su excelente combinación de resistencia, resistencia a la corrosión y estabilidad térmica. Gracias a su sobresaliente relación resistencia-peso, el TC4 se emplea ampliamente en las industrias aeroespacial, defensa, automovilismo y médica.
Sus características de alto rendimiento hacen que el TC4 sea el material preferido para componentes críticos fabricados mediante servicios de mecanizado CNC. Gracias a sus propiedades mecánicas y térmicas equilibradas, las piezas de titanio mecanizadas por CNC fabricadas en TC4 ofrecen un rendimiento consistente y fiable en condiciones de operación extremas.
Propiedades químicas, físicas y mecánicas de Ti-6Al-4V (TC4)
Composición química (típica)
Elemento | Rango de composición (peso %) | Función principal |
|---|---|---|
Titanio (Ti) | Balance (~90) | Matriz base con resistencia a la corrosión |
Aluminio (Al) | 5.5–6.75 | Estabilizador alfa; incrementa la resistencia |
Vanadio (V) | 3.5–4.5 | Estabilizador beta; mejora la tenacidad y la templabilidad |
Hierro (Fe) | ≤0.40 | Residual; influye en la resistencia |
Oxígeno (O) | ≤0.20 | Aumenta la resistencia; afecta la ductilidad |
Carbono (C) | ≤0.08 | Refina el grano; mejora la resistencia al desgaste |
Nitrógeno (N) | ≤0.05 | Elemento residual; incrementa la dureza |
Hidrógeno (H) | ≤0.015 | Debe controlarse para evitar fragilización |
Propiedades físicas
Propiedad | Valor (típico) | Norma/condición de ensayo |
|---|---|---|
Densidad | 4.43 g/cm³ | ASTM B311 |
Rango de fusión | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
Conductividad térmica | 6.7 W/m·K a 100°C | ASTM E1225 |
Resistividad eléctrica | 1.71 µΩ·m a 20°C | ASTM B193 |
Expansión térmica | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacidad calorífica específica | 560 J/kg·K a 20°C | ASTM E1269 |
Módulo elástico | 113.8 GPa | ASTM E111 |
Propiedades mecánicas (condición recocida)
Propiedad | Valor (típico) | Norma de ensayo |
|---|---|---|
Resistencia a la tracción | 895–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Límite elástico (0.2%) | 830–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Elongación | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Dureza | 330–360 HB | ASTM E10 |
Resistencia a la fluencia | Alta | ASTM E139 |
Resistencia a la fatiga | Excelente | ASTM E466 |
Características clave de Ti-6Al-4V (TC4)
Alta relación resistencia-peso: TC4 alcanza hasta 960 MPa de resistencia a la tracción con una densidad de solo 4.43 g/cm³, ideal para estructuras aeroespaciales, tornillería y piezas de alto rendimiento.
Resistencia superior a la corrosión y oxidación: Una capa pasiva de óxido de titanio garantiza resistencia en ambientes clorurados, marinos y ligeramente ácidos, con desempeño sostenido hasta 400°C en aire.
Estabilidad térmica y resistencia a la fluencia: TC4 mantiene su integridad mecánica a temperaturas elevadas (hasta 400°C en servicio continuo), adecuado para componentes de motores a reacción y sistemas de escape.
Soldabilidad y biocompatibilidad: La aleación admite soldadura TIG/MIG y no es tóxica, por lo que es una opción destacada tanto para bastidores estructurales aeroespaciales como para dispositivos médicos implantables a largo plazo.
Desafíos y soluciones de mecanizado CNC para Ti-6Al-4V (TC4)
Desafíos de mecanizado
Conductividad térmica extremadamente baja: Con solo 6.7 W/m·K, el calor se acumula en el filo de corte, acelerando la degradación de la herramienta y provocando inestabilidad dimensional.
Endurecimiento por deformación severo: TC4 forma rápidamente una capa endurecida bajo la trayectoria de la herramienta si la carga de viruta es insuficiente, por lo que requiere un contacto continuo y un espesor de viruta constante.
Alto desgaste de herramienta: Las fases intermetálicas abrasivas y la formación de óxidos causan astillado del filo y desgaste en cráter, especialmente en condiciones secas o con refrigeración insuficiente.
Recuperación elástica por módulo: Con un módulo elástico de 113.8 GPa, la deflexión y la recuperación elástica dificultan operaciones de tolerancia estrecha, en especial en geometrías de pared delgada.
Estrategias de mecanizado optimizadas
Selección de herramientas
Parámetro | Recomendación | Justificación |
|---|---|---|
Material de la herramienta | Carburo recubierto o insertos cerámicos | Soportan altas temperaturas y desgaste abrasivo |
Recubrimiento | AlTiN o TiSiN (PVD, 3–5 µm) | Mejora la resistencia térmica y minimiza el filo recrecido |
Geometría | Filo afilado, ángulo de desprendimiento positivo | Reduce la fuerza de corte y el aporte térmico |
Velocidad de corte | 30–70 m/min (desbaste), 50–100 m/min (acabado) | Reduce el endurecimiento y mantiene la vida de herramienta |
Avance | 0.05–0.25 mm/rev | Mantiene el espesor de viruta para evitar “glazing” |
Refrigerante | Refrigerante emulsionado a 100–150 bar | Asegura evacuación de viruta y control térmico |
Parámetros de corte Ti-6Al-4V (TC4) (cumplimiento ISO 3685)
Operación | Velocidad (m/min) | Avance (mm/rev) | Profundidad de corte (mm) | Presión del refrigerante (bar) |
|---|---|---|---|---|
Desbaste | 20–30 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 70–100 (a través de la herramienta) |
Acabado | 50–80 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Tratamiento superficial para piezas de Ti-6Al-4V (TC4)
Prensado isostático en caliente (HIP) mejora la vida a fatiga eliminando porosidad interna, crítico para recipientes a presión y carcasas aeroespaciales.
Tratamiento térmico permite envejecimiento y recocido a 700–850°C para optimizar la resistencia a tracción y el alivio de tensiones en piezas de alta carga.
Soldadura de superaleaciones proporciona uniones libres de defectos para conjuntos aeroespaciales en TC4, con varilla de aporte (Ti-6Al-4V) de composición equivalente al material base.
Recubrimiento de barrera térmica (TBC) con capas cerámicas YSZ mejora la protección frente a oxidación en piezas de motor o escape que operan por encima de 600°C.
Mecanizado CNC garantiza geometrías de precisión con tolerancia dimensional <±0.01 mm para piezas TC4 de grado aeroespacial y médico.
Mecanizado por descarga eléctrica (EDM) es ideal para microagujeros y ranuras en TC4 donde las herramientas mecánicas pueden inducir grietas térmicas.
Taladrado profundo permite canales de alta relación L/D para inyectores de combustible con valores de Ra interno ≤1.6 µm.
Ensayos de materiales, incluyendo fatiga, dureza, microestructura SEM y detección ultrasónica de defectos, verifican la integridad estructural de piezas críticas en TC4.
Ensayos y análisis de materiales
Los ensayos de Ti-6Al-4V incluyen verificación de dureza, análisis de vida a fatiga, propiedades a tracción a temperatura ambiente y elevada, e inspección no destructiva según normas ASTM e ISO de la industria aeroespacial.
Aplicaciones industriales de Ti-6Al-4V (TC4)
Aeroespacial: Se utiliza en componentes de motor, tren de aterrizaje, bastidores estructurales y conectores de fuselaje por su relación rendimiento-peso inigualable.
Defensa: Se fabrica en placas de blindaje, carcasas de misiles y estructuras UAV que requieren durabilidad ligera frente a impactos.
Médico: Se utiliza en implantes ortopédicos, sistemas de columna y prótesis dentales por su biocompatibilidad y osteointegración.
Automovilismo: Componentes como muelles de válvulas, sistemas de suspensión y escapes exigen la resistencia a fatiga térmica y la ligereza del TC4.
Energía: Componentes de turbinas de gas, tubos de intercambiadores de calor y piezas de plantas químicas se benefician de la resistencia a la corrosión y a la fluencia del TC4.
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