1,Procesamiento primario: del mineral a la palanquilla procesable
Este es el eslabón más caro de toda la cadena de la industria del titanio.
Producción de esponja de titanio (principalmente método Kroll):
Convierta el mineral de titanio (rutilo o ilmenita) en titanio esponjoso (titanio puro poroso).
Proceso: Mineral de titanio → Cloración a tetracloruro de titanio (TiCl₄) → Reducción térmica de magnesio (método Kroll) → Destilación al vacío → Esponja de titanio.
Características: El complejo proceso, el enorme consumo de energía y la producción intermitente son una de las razones fundamentales del alto precio de las aleaciones de titanio. Los métodos de electrólisis emergentes, como el proceso FFC Cambridge, tienen como objetivo reducir el consumo y los costos de energía, pero aún no se han comercializado a gran escala.
2). Fusión:
Derrita el titanio esponjoso, los elementos de aleación y el material de retorno en lingotes de composición uniforme bajo vacío o protección con gas inerte (argón).
Principales tecnologías:
Fusión por arco consumible al vacío (VAR): el método más utilizado. El electrodo se funde mediante arco en una cámara de vacío y se deja caer en un crisol de cobre enfriado con agua-para solidificarse. Para garantizar la pureza y uniformidad se suelen realizar dos o tres procesos de fusión.
Fusión en horno de lecho frío (CHM): incluido el horno de lecho frío por haz de electrones (EBCHM) y el horno de lecho frío por arco de plasma (PACHM). Puede eliminar eficazmente impurezas de alta y baja-densidad y se utiliza comúnmente en la preparación de lingotes y palanquillas de titanio de alta-calidad aeronáutica.
2,Fabricación de conformado: dar forma a la pieza en bruto con la forma deseada
Este es el vínculo central que refleja la dificultad del procesamiento de aleaciones de titanio.
A. Conformado de plástico
Forja convencional:Después de calentar en un horno de aire, se forma utilizando un martillo de forja o una prensa. Capa de óxido superficial de fácil generación (capa de fragilización alfa), que debe eliminarse posteriormente.
Forja isotérmica/en caliente:una tecnología clave para la forja de precisión de aleaciones de titanio. Calentar el molde a una temperatura similar a la del tocho (generalmente 800-1000 grados C) y darle forma bajo presión lenta. Esto reduce en gran medida la resistencia a la deformación, la caída de temperatura y la reacción de la superficie, lo que permite la producción de piezas forjadas casi netas con formas complejas, alta precisión y una distribución aerodinámica razonable. Sin embargo, el costo y el consumo de energía de los moldes (comúnmente hechos de superaleaciones a base de níquel o aleaciones a base de molibdeno) son extremadamente altos.
Laminación:Producción de placas, flejes, barras y tubos. La laminación en caliente se realiza en atmósfera protectora o recubrimiento para evitar la oxidación; La laminación en frío requiere un recocido intermedio para eliminar el endurecimiento por trabajo.
Apretando:Se utiliza para producir perfiles y tuberías. Después de calentar el tocho, se extruye a través de un molde a alta presión. Se requieren lubricantes para vidrio y revestimientos protectores para evitar que el molde se pegue y se oxide.
Conformado superplástico (SPF):Al utilizar la superplasticidad (alargamiento extremadamente alto) de la aleación de titanio a una temperatura/velocidad específica y combinarla con presión de aire para ajustarse al molde como si fuera vidrio soplado, se pueden formar componentes complejos de paredes delgadas-de una sola vez. A menudo se combina con enlaces de difusión (DB) para formar la tecnología SPF/DB, que se utiliza para fabricar estructuras huecas multi-capas para aplicaciones aeroespaciales.
B. Fundición
Fundición de precisión al vacío: se realiza principalmente en hornos de condensación de arco consumibles al vacío. El electrodo se funde formando un arco al vacío y fluye hacia el interior del molde cerámico. Debido a la reacción entre el titanio y casi todos los materiales de moldeo, se deben utilizar materiales refractarios especiales (como la capa superficial de óxido de itrio).
Aplicación: Adecuado para producir componentes estructurales estáticos con formas extremadamente complejas que no requieren un mecanizado extenso, como carcasas de motores, cuerpos de bombas y cabezas de pelotas de golf de alta-.
C. Fabricación Aditiva (Impresión 3D) - Tecnología Revolucionaria
El uso directo de polvo de aleación de titanio o material de alambre capa por capa para fabricar piezas sólidas es particularmente adecuado para estructuras complejas, diseños livianos y personalización de lotes pequeños.
Principales tecnologías:
Fusión selectiva por láser (SLM)/fusión de lecho de polvo por láser (LPBF): en una cámara de atmósfera inerte, el polvo de aleación de titanio sobre el lecho de polvo se funde punto por punto utilizando un láser fino. Alta precisión y buena calidad superficial.
Fusión por haz de electrones (EBM): Fusión de polvo con un haz de electrones en un ambiente de vacío. La velocidad de conformado es rápida, la tensión térmica es baja y el rendimiento de las piezas es cercano al de las piezas forjadas, pero la superficie es relativamente rugosa.
Ventajas: La tasa de utilización del material es extremadamente alta (casi 100%), logrando estructuras de optimización de topología como celosías extremadamente complejas, panales y canales de enfriamiento huecos integrados. Es insustituible en los campos aeroespacial (andamios ligeros, palas con canales de refrigeración) y médico (implantes de hueso poroso personalizados).
3,Procesamiento y manipulación posterior
1) Mecanizado:
La aleación de titanio es un material típico difícil de mecanizar debido a su mala conductividad térmica (el calor se acumula en la herramienta), alta afinidad química (fácil de reaccionar con el material de la herramienta) y bajo módulo elástico (fácil de provocar herramientas y vibraciones).
Contramedida: utilice máquinas herramienta de alta rigidez, herramientas de corte de PCD o aleaciones duras con recubrimiento especial, baja velocidad de corte, gran velocidad de avance, alta-presión y fluido de corte de alto flujo para una refrigeración suficiente.
Tratamiento térmico:
Recocido: elimina tensiones internas, estabiliza la estructura y mejora la plasticidad. Es el tratamiento térmico más utilizado.
Tratamiento de solución+envejecimiento: se utiliza para + aleaciones de titanio de dos-fases (como Ti-6Al-4V), para obtener fortalecimiento de la dispersión y mejorar la resistencia mediante enfriamiento y envejecimiento a baja temperatura.
Tratamiento superficial
Limpieza: Chorro de arena y lavado con ácido (comúnmente usando ácido mixto HF-HNO ∝) para eliminar las incrustaciones de óxido y la capa contaminante.
Fortalecimiento/funcionalización: La oxidación por microarco (MAO) genera recubrimientos cerámicos para mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión; La nitruración/nitruración mejora la dureza de la superficie; Coloración anodizada y mejora de la resistencia a la corrosión; La pulverización térmica (como la pulverización de WC Co) mejora la resistencia al desgaste.
Tecnología de conexión:
Soldadura: debe realizarse bajo protección de vacío o gas argón de alta-pureza. Los métodos comunes incluyen la soldadura con gas inerte de tungsteno (GTAW/TIG), la soldadura por haz de electrones (EBW) y la soldadura láser (LBW). Se requiere una limpieza estricta antes de soldar.
Enlace por difusión (DB): conexión de átomos de la superficie de contacto mediante difusión mutua a alta temperatura y presión, utilizado para fabricar componentes SPF/DB.
