ES2292955T3 - Aleacion alfa-beta de ti-al-v-mo-fe. - Google Patents
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Abstract
Una aleación alfa-beta basada en titanio en % en peso, que comprende: 4, 5 hasta 5, 5 de aluminio; 3, 0 hasta 5, 0 de vanadio; 0, 3 hasta 1, 8 de molibdeno; 0, 3 hasta 0, 8 de hierro; 0, 12 hasta 0, 25 de oxígeno; y el resto de titanio y de elementos eventuales e impurezas, siendo dichos elementos eventuales cada uno menor de 0, 1 y en total menores de 0, 5.
Description
Aleación alfa-beta de
Ti-Al-V-Mo-Fe.
La invención se refiere a una aleación
alfa-beta de elevada resistencia, que posee una
combinación mejorada de propiedades de resistencia, maquinabilidad
y balística.
Las aleaciones basadas en titanio son empleadas
en aplicaciones que requieren relaciones de elevada
resistencia-peso con buenas propiedades a elevada
temperatura y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden
ser caracterizadas como aleaciones de fase alfa, aleaciones de
fase beta o aleaciones alfa-beta. Las aleaciones
alfa-beta contienen uno o más elementos
estabilizadores alfa y uno o más elementos estabilizadores beta.
Estas aleaciones pueden volverse más resistentes mediante
tratamiento térmico o mediante procesamiento
termo-mecánico. Específicamente, las aleaciones
pueden volverse más resistentes mediante enfriamiento rápido desde
una elevada temperatura en el rango alfa-beta o
por encima de la temperatura de transición de beta. Este
procedimiento, conocido como tratamiento de solubilización, es
seguido de un tratamiento de envejecimiento térmico a temperatura
intermedia, que tiene como resultado una mezcla deseada de las
fases alfa y beta transformada, como las principales fases en la
microestructura de la aleación.
Es deseable el empleo de estas aleaciones en
aplicaciones que requieren de una combinación de propiedades de
elevada resistencia, buena maquinabilidad y propiedades
balísticas.
Por lo tanto, constituye un objeto de la
presente invención proporcionar una aleación
alfa-beta basada en titanio, que posee esta
combinación deseable de propiedades.
La aleación alfa-beta de
titanio, que comprende:
Al: 4,5 a 5,5% en peso.
V: 3,0 a 5,0% en peso (preferiblemente 3,7 a
4,7% en peso)
Mo: 0,3 a 1,8% en peso
Fe: 0,2 a 1,2% en peso (preferiblemente 0,2 a
0,8% en peso)
O: 0,12 a 0,25% en peso (preferiblemente 0,15 a
0,22% en peso)
El resto de titanio, elementos eventuales e
impurezas, estando cada uno en menos de 0,1% en peso y de 0,5% en
peso en total.
Según la invención, las aleaciones contienen
aluminio como un elemento esencial dentro de los límites de la
composición de la invención. Si el contenido de aluminio es menor
que 4,5%, no se obtendrá suficiente resistencia. Asimismo, si el
contenido de aluminio es mayor que 5,5% la maquinabilidad será
inferior.
El vanadio es un elemento esencial como
estabilizador de la fase beta en las aleaciones de titanio
alfa-beta, según la invención. Si el contenido de
vanadio es menor que 3,0%, no se obtendrá suficiente resistencia.
Asimismo, si el contenido de vanadio es mayor que 5,0%, el contenido
de la estabilizadora fase beta será también demasiado elevado,
resultando en una degradación de la maquinabilidad.
El hierro está presente como un elemento
estabilizador de la fase beta, siendo efectivo y menos costoso.
Normalmente, aproximadamente 0,1% de hierro proviene del titanio
esponja y otros materiales de reciclaje empleados en la producción
de la aleación, según la invención. Por el contrario, el hierro
puede añadirse como acero o a partir de la aleación maestra de
hierro-molibdeno, puesto que la aleación de la
invención posee molibdeno como un elemento esencial. Si el
contenido de hierro es mayor que, aproximadamente, 1,2%, la
maquinabilidad se afectará adversamente.
El molibdeno es un elemento efectivo para
estabilizar la fase beta, proporcionando, además, el refinamiento
del grano de la microestructura. Si el contenido de molibdeno es
menor que 0,3% no se obtendrán los efectos deseados. Asimismo, si
el contenido de molibdeno es mayor que 1,8%, la maquinabilidad se
degradará.
El oxígeno es un elemento fortalecedor de la
resistencia en el titanio y sus aleaciones. Si el contenido de
oxígeno es menor que 0,12%, no se obtendrá suficiente resistencia y
si el contenido de oxígeno es mayor que 0,25%, ocurrirá la
fragilización y se deteriorará la maquinabilidad.
Diez lingotes de 203 mm, incluido el de la
aleación Ti-6Al-4V, fueron
producidos, a escala de laboratorio, mediante doble refusión en
horno por arco eléctrico al vacío. La composición química de estos
lingotes se muestra en la Tabla 1. En la tabla, las aleaciones A,
B, C y E son aleaciones de la invención. Las aleaciones D y F hasta
la J son aleaciones controladas. La aleación J es la
Ti-6Al-4V, la cual es la aleación
alfa-beta más común. Estos lingotes fueron
forjados y laminados a barras cuadradas de 19 mm o a planchas
gruesas de 19 mm con el procesamiento alfa-beta.
Una parte de los materiales fue recocido durante 1 hora a 704ºC
(1.300 F), seguido de un enfriamiento por aire, a fin de examinar
las características básicas de cada aleación. Adicionalmente, se
realizó un tratamiento de solubilización y envejecimiento para cada
barra y después se evaluaron las propiedades mecánicas a fin de
examinar la endurecibilidad de las aleaciones.
La Tabla 2 muestra las propiedades de
resistencia a la tracción de las aleaciones después del recocido.
Las aleaciones A, B, C y E muestran resistencias similares (UTS o
0,2% PS, resistencia máxima a la tracción o límite de
fluencia_{0.2}) a las de la aleación
Ti-6Al-4V. La ductilidad (El y RA,
elongación y Área reducida) de A, B, C y E es mejor que la de la
aleación Ti-6Al-4V. La Tabla 3
muestra las propiedades de resistencia a la tracción de aleaciones
experimentales después del tratamiento de solubilización y
envejecimiento (STA), conjuntamente con la aleación
Ti-6Al-4V. Las aleaciones A, B y C muestran resistencias máximas a la tracción o límites de fluencia_{0.2} (UTS o 0,2% PS) más elevados que los de la aleación Ti-6Al-4V, de por lo menos 68,95 MPa La resistencia más elevada después del tratamiento de solubilización y envejecimiento se debe, fundamentalmente, a la endurecibilidad mejorada por la adición de molibdeno y/o hierro. Sin embargo, si el contenido de molibdeno y/o hierro es demasiado elevado, la ductilidad disminuye, como se víó en las aleaciones G, H e I.
Ti-6Al-4V. Las aleaciones A, B y C muestran resistencias máximas a la tracción o límites de fluencia_{0.2} (UTS o 0,2% PS) más elevados que los de la aleación Ti-6Al-4V, de por lo menos 68,95 MPa La resistencia más elevada después del tratamiento de solubilización y envejecimiento se debe, fundamentalmente, a la endurecibilidad mejorada por la adición de molibdeno y/o hierro. Sin embargo, si el contenido de molibdeno y/o hierro es demasiado elevado, la ductilidad disminuye, como se víó en las aleaciones G, H e I.
\vskip1.000000\baselineskip
Las planchas recocidas con el espesor de 19 mm
se maquinaron a un espesor de 16 mm. Se ejecutaron ensayos de
barrenado sobre estas planchas para evaluar la maquinabilidad de las
aleaciones. Se emplearon barrenas de acero de alta velocidad (AISI
M42) para el ensayo. Las condiciones del ensayo de barrenado son
las siguientes:
- Diámetro de la barrena 6,4 mm
- Profundidad del orificio: 16 mm
- Avance: 0,1905 mm/rev
- Velocidad de rotación: 500 r.p.m
- Enfriamiento por refrigerante soluble en
agua
La vida útil de la barrena se determinó cuando
con la barrena no pudo barrenar más orificios, debido al daño de su
punta. Los resultados de los ensayos de barrenado se exponen en la
Tabla 4. El índice relativo de barrenado de la Tabla 4 es un
promedio de 2 ó 3 ensayos. El ensayo de barrenado se concluyó
cuando su índice relativo resultó más elevado que aproximadamente
4,0. El ensayo de barrenado indicó que las aleaciones de la
presente invención poseen una maquinabilidad significativamente
superior que la de la aleación
Ti-6Al-4V, y de otras aleaciones
con composiciones químicas diferentes de la aleación de la presente
invención. La inferior maquinabilidad de la aleación F es debida al
elevado contenido de oxígeno.
Una plancha con un espesor de aproximadamente 11
mm se produjo por el procesamiento de alfa-beta a
partir de un lingote de laboratorio de 203 mm de diámetro. Esta
plancha fue recocida, seguida de una limpieza ácida. Un fragmento
de proyectil simulado (FSP) de calibre A50 se empleó como un
proyectil. La AV_{50}, la cual es la velocidad de los
proyectiles que poseen una probabilidad de 50% de penetración
completa, se determinó para cada plancha y se comparó con la
especificación. Los resultados se muestran en la Tabla 5. En la
tabla, el término \DeltaV_{50} indica la diferencia de
V_{50} entre el valor medido y la especificación. Por ello, un
valor positivo del número indica superioridad sobre la
especificación. Como se muestra en la tabla, la aleación K
presenta una propiedad balística superior a la de la aleación
Ti-6Al-4V.
Otras realizaciones de la invención serán
evidentes a los expertos en la técnica, a partir de la consideración
de la especificación y práctica de la invención expuesta en la
presente solicitud. Se pretende que la especificación y los
ejemplos sean considerados solamente como ejemplificaciones, siendo
reivindicado el verdadero alcance de la presente invención
mediante las siguientes reivindicaciones.
Claims (3)
1. Una aleación alfa-beta
basada en titanio en % en peso, que comprende:
- 4,5 hasta 5,5 de aluminio;
- 3,0 hasta 5,0 de vanadio;
- 0,3 hasta 1,8 de molibdeno;
- 0,3 hasta 0,8 de hierro;
- 0,12 hasta 0,25 de oxígeno; y
- el resto de titanio y de elementos eventuales e impurezas,
- siendo dichos elementos eventuales cada uno menor de 0,1 y en total menores de 0,5.
2. La aleación de la reivindicación 1, que
comprende 3,7 hasta 4,7 de vanadio.
3. La aleación de la reivindicación 1 ó de la
reivindicación 2, que comprende 0,15 hasta 0,22 de oxígeno.
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