Preparación y aplicación del polvo de titanio

Creciente demanda de polvo de titanio

Con el continuo avance de la tecnología industrial, la demanda de polvo de titanio no ha dejado de aumentar. El titanio y sus aleaciones son conocidos por sus excelentes propiedades, como su baja densidad, su alta resistencia específica, su buena resistencia al calor y su resistencia a la corrosión. Estos materiales se utilizan ampliamente en industrias como la aeroespacial, la construcción naval, la ingeniería química, la fabricación de maquinaria y las aleaciones duras.

Sin embargo, los procesos metalúrgicos tradicionales del titanio presentan inconvenientes como los largos ciclos de procesamiento, el elevado consumo de energía y los bajos índices de utilización del material. Estos problemas se traducen en costes de producción más elevados para las aleaciones de titanio, lo que limita su aplicación más amplia. Los elevados costes no sólo aumentan la carga de las empresas fabricantes, sino que también dificultan la promoción de los materiales de titanio en pequeñas y medianas empresas e industrias emergentes. Por tanto, reducir los costes de producción del titanio y sus aleaciones se ha convertido en una vía crucial para ampliar sus aplicaciones.

En este contexto, la tecnología pulvimetalúrgica se ha convertido gradualmente en una importante vía de desarrollo de la industria metalúrgica del titanio. La pulvimetalurgia logra la formación de formas casi netas mediante la conformación y sinterización de polvos metálicos, lo que reduce significativamente el desperdicio de material y mejora la utilización de los recursos. Además, los procesos pulvimetalúrgicos utilizan menos energía y son más eficientes desde el punto de vista energético. También son respetuosos con el medio ambiente. Estos procesos permiten fabricar con gran precisión formas complejas. Esto acorta los ciclos de producción y aumenta su eficacia. Como resultado, la pulvimetalurgia reduce eficazmente los costes de las aleaciones de titanio. También fomenta el uso del polvo de titanio en más campos.

Preparación del polvo de titanio

La calidad y el coste del polvo de titanio son extremadamente importantes para la calidad de sus productos pulvimetalúrgicos. El método de preparación afecta directamente a la calidad del polvo. Actualmente, los principales métodos para preparar polvo de titanio esférico incluyen la atomización, la esferoidización por plasma de radiofrecuencia y el proceso de electrodo giratorio de plasma. Mientras que los principales métodos para preparar polvo de titanio no esférico incluyen los métodos de hidrogenación-deshidrogenación y reducción.

¿Cómo preparar polvo de titanio esférico?

1. Método de atomización

El método de atomización es el método más utilizado para la preparación de polvo esférico de titanio tanto a nivel nacional como internacional, incluyendo principalmente la atomización con gas y la atomización con plasma.

Laatomización con gas implica el uso de un flujo de aire de alta velocidad para impactar y romper el metal fundido, que luego se enfría rápidamente para obtener polvo metálico. Este es actualmente el método más común para producir polvo de titanio esférico. El polvo de titanio producido mediante la tecnología de atomización con gas tiene un bajo contenido de impurezas y de oxígeno, lo que lo hace adecuado para la fabricación aditiva.

La atomizaciónpor plasma consiste en colocar alambres de titanio o aleaciones de titanio bajo un fluido de atomización por plasma, donde el material se funde y atomiza simultáneamente. Las gotitas de metal forman partículas esféricas bajo la acción de la tensión superficial.

Fig. 1. Microestructura de los polvos esféricos de titanio preparados por el método de atomización

2. Método de esferoidización por plasma de radiofrecuencia

La tecnología de esferoidización por plasma de radiofrecuencia utiliza plasma para modificar la forma del polvo de forma irregular para preparar polvo esférico. Utilizando TiH2 de forma irregular como materia prima, se aplica el tratamiento de esferoidización por plasma de radiofrecuencia para producir polvo de titanio esférico fino. Las partículas gruesas de TiH2 se someten a explosión de hidrógeno, deshidrogenación y esferoidización en la región de plasma. Ajustando la velocidad de alimentación y el flujo de gas portador, la tasa de esferoidización puede alcanzar el 100%, el rendimiento del polvo fino puede superar el 80%, y no hay polvos huecos ni bolas satélite, lo que reduce significativamente el precio del polvo esférico de titanio.

Fig. 2. Diagrama que ilustra el proceso de esferoidización por plasma de radiofrecuencia utilizado para producir polvo ultrapuro a partir de trozos de material de forma irregular[1].

3. Proceso de electrodo giratorio de plasma

El polvo de titanio producido por el proceso de electrodo rotativo de plasma tiene una superficie lisa, es relativamente denso, tiene buena fluidez y una distribución de tamaño de partícula estrecha. El tamaño de las partículas del polvo puede ajustarse mediante la velocidad de rotación del electrodo.

En comparación con el polvo producido por atomización de gas, el polvo producido por el proceso de electrodo giratorio no tiene las fases asociadas comunes que se encuentran en el polvo de titanio esférico atomizado, y el tamaño de las partículas es más uniforme. Sin embargo, el coste del polvo de titanio producido por este método es elevado, y actualmente se utiliza generalmente en el campo aeroespacial.

Cómo preparar polvo de titanio no esférico

1. Método de hidrogenación-deshidrogenación (HDH)

El método HDH consiste en producir primero polvos de hidruro mediante hidrogenación y obtener después polvos de aleación metálica mediante tratamiento de deshidrogenación. Este método es sencillo, con materias primas fácilmente accesibles. El polvo de titanio resultante tiene una amplia distribución granulométrica y un bajo coste, lo que lo convierte en el principal método para producir polvo de titanio no esférico.

2. Método de reducción térmica

El método de reducción térmica utiliza metales activos como el sodio, el magnesio o el calcio para reducir las sales de titanio o los óxidos de titanio y producir polvo de titanio. El método de reducción de magnesio produce principalmente polvo de titanio generado durante el proceso de producción de titanio esponjoso. Sin embargo, debido al alto contenido de elementos impuros, rara vez se utiliza específicamente para la producción de polvo de titanio. En cambio, la reducción sódica produce polvo de titanio de gran pureza, con niveles especialmente bajos de impurezas de oxígeno, nitrógeno, hierro y carbono, y buena fluidez. Se considera uno de los métodos prometedores para producir polvo de titanio.

Resumen: Tecnología de preparación de polvos de titanio

Los principales métodos para preparar polvo de titanio esférico incluyen el método de atomización, el método de electrodo giratorio de plasma y el método de esferoidización por plasma de RF. Los polvos resultantes presentan tamaños de partícula uniformes y áreas superficiales específicas bajas, pero tienen un rendimiento de sinterización más pobre. Sus tecnologías de conformado incluyen la fabricación aditiva y el moldeo por inyección. Los polvos de titanio producidos por el método de hidrogenación-deshidrogenación y el método de reducción no son esféricos y presentan un mayor contenido de elementos impuros. La tecnología de conformado suele ser el prensado isostático en frío, con equipos sencillos y bajos costes de producción.

Aplicaciones del polvo de titanio

El rápido desarrollo de la tecnología de impresión 3D ha abierto nuevas vías para la aplicación de los polvos de titanio y aleaciones de titanio. En campos como el aeroespacial, los dispositivos médicos y la automoción, el polvo metálico de titanio se utiliza ampliamente para fabricar componentes complejos, de alta resistencia y ligeros.

1. Aeroespacial

El titanio metálico, con sus características de ligereza y alta resistencia, se ha convertido en un material ideal para la industria aeroespacial. A medida que aumenta la demanda mundial de aviones comerciales, aviones militares y naves espaciales, los fabricantes del sector aeroespacial dependen cada vez más de materiales de alto rendimiento. El polvo metálico de titanio, como materia prima para fabricar componentes críticos como piezas estructurales de aviones, piezas de motores y álabes de turbinas, experimenta naturalmente un aumento significativo de la demanda.

2. Dispositivos médicos

La biocompatibilidad del titanio metálico le confiere una ventaja única en el campo de los implantes médicos. Con el envejecimiento de la población mundial y el aumento de las necesidades médicas, la aplicación de polvo de metal de titanio en productos médicos tales como implantes ortopédicos, implantes dentales y stents cardiovasculares está en continua expansión.

3. Fabricación de automóviles

Para mejorar la eficiencia del combustible y reducir las emisiones, la industria del automóvil busca activamente soluciones ligeras. El polvo metálico de titanio, como materia prima para fabricar componentes de automoción de alto rendimiento, está experimentando una creciente demanda. Su aplicación está especialmente extendida en los sectores de automoción de competición y de gama alta.

4. Dispositivos electrónicos

El polvo de aleación de titanio, a través de la tecnología de fabricación aditiva, puede producir componentes microestructurados complejos que cumplen los requisitos de precisión y material de alto rendimiento de los dispositivos electrónicos modernos. Por ejemplo, Apple tiene previsto utilizar cuerpos de aleación de titanio y bisagras de aleación de titanio en sus iPhones plegables para garantizar la durabilidad y un diseño ligero. El uso de la impresión 3D para la producción de teléfonos permite diseños huecos, lo que reduce aún más el peso del chasis sin comprometer la resistencia estructural, al tiempo que mejora el rendimiento de disipación del calor.

Stanford Advanced Materials se ha comprometido a proporcionar a los clientes una gran variedad de polvos metálicos y de aleación, incluidos diferentes tipos de polvos basados en titanio. Puede obtener información detallada sobre el producto aquí: Polvo a base de titanio.