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TRATAMIENTO TÉRMICO Y MICROESTRUCTURA EN

ALEACIONES DE TITANIO

OBJETIVOS

Estudio de distintas micrografías de una aleación de titanio correspondientes a los diferentes estados alcanzados tras diversos tratamientos térmicos.

Determinación del porcentaje de alfa primaria tras el tratamiento de solución en función de la temperatura de esta.

Estudio de las propiedades mecánicasEstudio de la relación de las propiedades mecánicas y

la microestructura

INTRODUCCIÓN

Titanio : material de gran importancia en el ámbito aeroespacial debido a sus buenas propiedades específicas

Aleación de Ti-6Al-4V con tratamiento de mill-annealing

Aleación de la familia α+β, aleaciones en cuya composición existe aluminio junto a elementos betágenos en cantidad moderada.

Puede haber también algún elemento neutro que endurece por solución sólida.

A temperatura ambiente, su estructura está formada mayoritariamente por granos de alfa, con cierta proporción de beta.

DESAROLLO DE LA PRÁCTICA

Determinación de la dureza Vickers HV100 y conductividad eléctrica inicial

Tratamiento de solución, a la temperatura correspondiente (grupo 1: 965ºC, grupo 2: 990ºC y grupo 3: 940ºC), con permanencia en horno durante 45 minutos, y posterior enfriamiento en agua con agitación.

Durante la permanencia de la muestra en el horno, se procederá a la observación y estudio de muestras de esa misma aleación en los siguientes estados: Estado de entrega original (mill annealing), recocido en zona beta (BA) y solución desde zona beta (ST). Se estudiará asimismo la capa alfa formada durante la permanencia a temperatura elevada en la probeta en estado de solución, estimándose su espesor, así como una medida de su dureza

Tras la finalización del tratamiento de solución, se procederá a la eliminación de la capa de óxido y lijado de una de las caras.

Determinación de la dureza Vickers HV100 y conductividad eléctrica tras el tratamiento de solución.

Realización de un pulido electrolítico y un ataque con el reactivo de Kroll y observación y estudio de su micrografía.

Tratamiento de maduración a 530º durante 8 horas.

Determinación de la dureza Vickers HV100 y conductividad eléctrica tras el tratamiento de maduración.

ANALISIS DE RESULTADOS

ESTADO INCIAL : MILL-ANNEALING Tratamiento compuesto por 3 etapas

1) Recocido en zona beta (T por encima de βtransus ⋍1000ºC) para homogenizar la aleación.

2) Deformación en zona α+β para aumentar dureza y resistencia.

3) Decocido a baja temperatura para relajar las tensiones existentes

Figura 1: vista frontal de la aleación con tratamiento de mill-annealing

Figura 2: vista transversal de la aleación con tratamiento de mill-annealing

Granos de fase α y fase beta orientados en una determinada dirección

Textura y anisotropía de propiedades

Granos de α blancos/amarillentos

Granos de β grisáceos

Tamaño de grano no muy grande (T recocido próxima a βtransus )

Fase β precipitada en bordes de grano de α

Granos de β recristalizados (zonas más oscuras en puntos triples)

No es una estructura completamente recristalizada, pequeños granos blancos equiaxiales que se están nucleando.

dureza conductividad

312 HV100 0,5860 MS/m

RECOCIDO EN ZONA BETA Objetivo : obtener una estructura completamente laminar de fase α.

Tratamiento con 4 etapas:

1) homogenización de los componentes de la aleación mediante un calentamiento en zona β.

2) deformación que suele comenzar en β y acabar en α+β.

3) calentamiento por encima de la temperatura de β transus (lo más cerca posible a β transus, porque al calentar en zona beta se produce un crecimiento anómalo de grano que deteriora las propiedades del material).

4) enfriamiento cuya velocidad es determinante. La pieza debe enfriarse lentamente, pero lo suficiente rápido para evitar la formación de otras fases en borde de grano.

Figura 3 : recocido en zona beta

estructura laminar con α y β.

placas de alfa en los bordes de grano de la fase β ya desaparecida y agrupaciones de fase α separadas y embebidas en una matriz de la fase β, formando colonias.

Entrecruzamiento de las láminas de fase α (blancas) que se sitúan en los antiguos bordes de grano de β. Estructura tipo cesta (estructura de widmanstatten).

SOLUCIÓN EN ZONA BETA

calentamiento por encima de β transus y un enfriamiento de forma brusca, muy rápido.

Si la Mf está por encima de la temperatura ambiente, se obtendrá una estructura completamente martensítica.

Si la Mf de la aleación se encuentra por debajo de la temperatura ambiente además de la martensita quedará fase β retenida.

Figura 4 : solución desde zona beta. Estructura martensítica

Agujas principales de martensita (color negro) junto con otras agujas menores de martensita paralelas a las principales o ligeramente inclinadas.

Los bordes de grano se aprecian fácilmente por el cambio de orientación de las agujas de martensita.

Dureza

397 HV0'2

La dureza aumenta un 25% respecto al estado mill-annealing.

No hay un aumento de dureza tan extraordinario como el que se produce en aceros.

CAPA ALFA

Durante la permanencia del titanio a alta temperatura en presencia de oxígeno, este va penetrando en la aleación dando lugar a una capa α superficial (el oxígeno es un estabilizador de la fase α).

Es una capa muy rica en oxígeno y con muy malas propiedades

Figura 5 : estructura martensítica con capa alfa

Granos blancos que pueden tener dos morfologías diferentes: grandes placas o forma equiaxial.

Grietas negras que aparecen por el prensado durante la formación de la muestra.

Dureza

574 HV0'2

La capa α se debe evitar por su elevada fragilidad. Se puede evitar de dos formas:

1) Haciendo el tratamiento de solución en vacío.

2) Puliendo posteriormente cierto espesor de la pieza.

TRATAMIENTO DE

SOLUCIÓN + MADURACIÓN

Solución a una temperatura inferior a β transus, diferente para cada grupo (965ºC, 990ºC y 940ºC respectivamente para los grupos 1, 2 y 3) durante 45 minutos.

Una maduración a 530ºC durante 8 horas.

Al ser el tratamiento de solución por debajo de la temperatura β transus quedará cierta cantidad de α primaria y la fase β será más rica en elementos betágenos comparado con los tratamientos a temperaturas superiores a β transus.

Grupo 3 : temperatura de solución 940ºC

Figura 6 : microestructura tras solución a 940ºC

Gran cantidad de alfa primaria que ha recristalizado. Granos casi equiaxiales, que se han formado durante el calentamiento.

Estructura de rayas: fase beta transformada en agujas de martensita durante el enfriamiento rápido.

El tamaño de grano de alfa y de las placas de martensita será menor comparado con las otras temperaturas de solución debido a la menor temperatura.


tras tratamiento solución

(940ºC, 45 mins)

373 HV100 MS/m

tras tratamiento maduración

(530ºC, 8 horas)

383 HV100 0,566 MS/m

Considerable cantidad de martensita en forma de agujas paralelas entre sí.

Menos alfa primaria recristalizada y un tamaño ligeramente mayor de las agujas de martensita, comparando con el tratamiento de solución a 940ºC.

Esto se traducirá en un aumento de dureza.



(965ºC, 45 mins)

403 HV100 0,566 MS/m


(530ºC, 8 horas)

397 HV100 0,586 MS/m

Mucha más martensita y de mayor tamaño que en las 2 anteriores.

Martensita con morfología muy similar a la observada en el tratamiento de solución desde beta. Esto se debe a que la temperatura de solución (990ºC) es muy próxima a la de beta transus (⋍1000ºC).

Menor cantidad de alfa primaria.

En este caso la dureza aumenta tras la maduración, al ser la temperatura de solución muy cercana a beta transus.



(990ºC, 45 mins)

410 HV100 0,566 MS/m


(530ºC, 8 horas)

433 HV100 0,580 MS/m

Determinación de la cantidad de alfa primaria

Figura 9 : microestructura tras solución a 990ºC con rejilla

% ? ???????? = 4 62 2 · 2 3 ∗ 1 0 0 = 9 %

Estudio de la conductividad

Conductividad practicamente constante.

Conductividad mucho más baja que el aluminio.

CONCLUSIONES

Aplicación muy susceptible de ser tratada.Se puede obtener gran cantidad de propiedades

mecánica y de microestructuras.Numerosas aplicaciones en distintos ámbitos.

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