MX2007010366A - Metodo de fundicion para una aleacion de titanio. - Google Patents

Abstract

La invencion se relaciona con un metodo para la funcion de objetos de una aleacion de titanio ?? conteniendo titanio-molibdeno con un contenido de molibdeno de 7.5 a 25%. Segun la invencion se funde la aleacion a una temperatura superior a 1770 degree C; la aleacion fundida es sometida a fundicion de precision en un molde que corresponde al objeto por producir, y este objeto moldeado es sujetado a compresion isostatica de temperatura alta, recocido de disolucion, seguido por enfriamiento brusco. Se logra una produccion eficiente de objetos producidos con aleaciones de titanio ?? por el metodo de fundicion de precision, usando el metodo inventivo. La invencion crea de esta manera la posibilidad de combinar las propiedades ventajosas de las aleaciones de titanio ??, en particular sus excelentes caracteristicas mecanicas, con las ventajas de una produccion de objetos mediante el metodo de fundicion de precision. Aun objetos teniendo contornos complejos, que no hubiera sido posible producir racionalmente usando los metodos convencionales de forja, pueden producirse de una aleacion de titano ??, gracias a la invencion.

Description

MÉTODO DE FUNDICIÓN PARA UNA ALEACIÓN DE TITANIO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con un método para la fundición de objetos de una aleación de titanio ß, con más precisión, de una aleación de titanio-molibdeno. Las aleaciones de titanio gozan de cada vez mayor popularidad gracias a su gran cantidad de características ventajosas. En particular por su buena resistencia química, aún a temperaturas altas, y su pequeño peso no obstante características mecánicas excelentes, las aleaciones de titanio se usan en todos aquellos campos en que existen grandes exigencias al material. Gracias a su biocompatibilidad excelente, las aleaciones de titanio se usan con preferencia también en el campo de la medicina, en particular para implantes y prótesis. Se conocen varios métodos para la conformación de aleaciones de titanio. Además del mecanizado con arranque de viruta, son éstos, sobre todo, métodos de fundición y de forja. Las aleaciones de titanio son, fundamentalmente, aleaciones de forja, por lo que se emplean generalmente métodos de forja. Porque se ha detectado que es difícil producir fundiciones de aleaciones de titanio. Esta ruta se intenta generalmente por la vía de moldes complejos, pero esta ruta restringe la selección de aleaciones apropiadas.

Se ha mostrado en particular que se obtienen resultados sólo insatisfactorios en la fundición de aleaciones de titanio ß (US-A-2004/0136859) . La invención se basa en el objetivo de crear un método de fundición perfeccionado para las aleaciones de titanio ß que permite la producción también de formas complejas preservando buenas características materiales. La solución inventiva se desprende de un método teniendo las características de la reivindicación principal. Perfeccionamientos ventajosos son objeto de las reivindicaciones subordinadas. Se prevé inventivamente, en un método de fundición para objetos de una aleación de titanio ß, comprendiendo titanio-molibdeno teniendo un contenido de molibdeno de 7.5 a 25%, que la aleación se funda a una temperatura superior a 1770° C, la aleación fundida es moldeada a precisión en un molde que corresponde al objeto que debe ser producido, es decir, se somete a compresión isostática de temperaturas altas, a recocido de disolución y a continuación se enfría bruscamente. Por objeto se entiende, en el presente contexto, un producto formado para su uso final. Éste puede ser, por ejemplo, en el campo de la aeronáutica, componentes para turbinas, cojinetes de rotor, cajas de alas u otros componentes estructurales de carga, o en el campo de la medicina endoprótesis como prótesis de cadera, o implantes como placas y clavos, o implantes dentales. El concepto de objeto en el sentido de la presente solicitud no comprende barras que con concebidas para el procesamiento posterior mediante métodos de deformación, es decir, en particular no los lingotes producidos por fundición de coquilla para el procesamiento posterior por forja. Con el método inventivo se logra una producción racional de objetos de aleación de titanio ß mediante el método de fundición de precisión. La invención crea de esta manera la posibilidad de combinar las características ventajosas de las aleaciones de titanio ß, en particular sus excelentes características mecánicas, con las ventajas de una producción de objetos mediante el método de la fundición de precisión. Aún objetos, teniendo formas complejas, que no podían producirse, o no de manera racional, mediante los métodos de forja convencionales pueden producirse, gracias a la invención, de una aleación de titanio ß. La invención abre, de esta manera, para las aleaciones de titanio ß, conocidas por sus excelentes características mecánicas, también el campo de aplicaciones de los objetos de formación compleja. La proporción de molibdeno en la aleación, respectivamente su equivalente de molibdeno se ubica en el área de 7.5 a 25%. Esto produce, en particular con un contenido de molibdeno de al menos 10%, una estabilización suficiente de la fase ß hasta al área de la temperatura ambiente. El contenido asciende, preferentemente, entre 12 y 16%. Con esto se permite llegar a una fase ß metaestable mediante enfriamiento rápido después de la fundición de precisión. La adición de otros agentes de aleación es, usualmente, prescindible. En particular, no es necesario adicionar vanadio o aluminio. Prescindir de ello tiene la ventaja, ya mencionada, de que se puede evitar la toxicidad asociada con estos agentes de aleación. Lo correspondiente es cierto también para el bismuto que tampoco compite con el titanio en cuanto a su biocompatibilidad. Se ha descubierto que se pueden producir, gracias a la invención, aún formas más complejas con las aleaciones de titanio ß que hasta ahora eran prácticamente imposibles para el uso en la fundición de precisión que con las aleaciones de titanio a/ß usadas hasta ahora para la fundición de precisión, como, por ejemplo, el TÍA16V6. Mediante el método inventivo se logra una capacidad mejorada de llenar el molde. Así es posible, gracias a la invención, producir mediante la fundición de precisión en particular bordes filosos de mayor calidad. También la tendencia de formar cavidades en la fundición de precisión es reducida, gracias a la mejor capacidad de llenar el molde.

Convenientemente, se usa para fundir la aleación de titanio ß una instalación de inducción en vacío de crisol de pared fría. Una instalación de este tipo permite alcanzar las temperaturas altas que se requieren para fundir confiablemente las aleaciones de titanio-molibdeno para la fundición de precisión. El punto de fusión de TiMol5 se ubica en 1770° C. Es conveniente un incremento de aproximadamente 60° C para lograr una fundición de precisión confiable. En total debe llegarse, de esta manera, a una temperatura de 1830° C para TiMol5. Preferentemente, la aplicación de la compresión isostática a temperaturas altas se realiza a una temperatura que es, como máximo, tan alto como la temperatura de transición de fase beta de la aleación de titanio-molibdeno, y como mínimo 100° C por debajo de la temperatura de transición de fase beta. Mediante la compresión isostática a temperaturas altas se contrarrestan los efectos inconvenientes a raíz de la concentración del molibdeno en las dendritas que lo diluye en el resto de la masa fundida, al hacer que las precipitaciones en las regiones entre las dendritas se disuelvan. Una temperatura por debajo de la temperatura de tránsito de fase ß es conveniente, y a saber hasta 100° C por debajo de ella. Para una aleación de titanio-molibdeno teniendo 15% de componente de molibdeno, unas temperaturas en el área de 710° a 760° C, preferentemente aproximadamente 740° C, dieron un buen resultado a una presión de argón de aproximadamente 1100 a 1200 bares. Para el recocido de disolución dieron buen resultado temperaturas de al menos 700° C a 880° C, preferentemente en el área de 800° C a 860° C. Para la generación de una atmósfera de gas de protección se usa, preferentemente, argón. Con esto se logra mejorar la ductilidad de la aleación. Convenientemente, después del recocido de disolución se realiza un enfriamiento brusco del objeto con agua. Preferentemente se usa agua fría. Por "fría" se entiende aquí la temperatura del agua de la red sin calentar. Se ha descubierto que el enfriamiento brusco tiene un efecto muy importante sobre las características mecánicas, finalmente obtenidas, del objeto. Como alternativa es posible también llevar a cabo el enfriamiento en gas de protección, por ejemplo un enfriamiento con argón. Pero los resultados obtenidos con ello no son tan buenos como aquellos que se logran con agua fría. Puede ser conveniente endurecer el objeto todavía para terminar. De esta manera es posible aumentar el módulo de elasticidad un poco, en caso de requerirse. El endurecido se realiza para ello, preferentemente, en un área de temperatura de aproximadamente 600° C a aproximadamente 700° C. La invención se explica a continuación con referencia al dibujo, en el qué se representa un ejemplo de aplicación ventajoso. En este muestran: Fig. 1 una tabla mostrando las características mecánicas de la aleación de titanio inventiva, de fundición de precisión; Fig. 2 una imagen de la microestructura en un estado de fundición inmediatamente después de la colada; Fig. 3 una imagen de la microestructura después de la compresión isostática a temperaturas altas; Fig. 4 una imagen de la microestructura después del recocido de disolución, seguido por enfriamiento brusco; y Fig. 5 una representación de temperaturas de líquido y sólido para una aleación de titanio-molibdeno. A continuación se describe una ruta para llevar a cabo el método inventivo. La materia prima es una aleación de titanio ß teniendo un componente de molibdeno de 15% (TiMol5) . Esta aleación puede adquirirse comercialmente en forma de pequeñas barras (lingotes) . En una primera etapa se realiza una fundición de precisión de los objetos por moldear. Para fundir y colar el TiMol5 se prevé una instalación de fundición. Preferentemente es una instalación de fusión y colada de inducción en vacío de crisol de pared fría. Con una instalación de este tipo pueden lograrse las temperaturas altas que se requieren para fundir confiablemente la TiMol5 para la fundición de precisión. El punto de fusión de TiMol5 se ubica en 1770° C, más un incremento de aproximadamente 60° C para una fundición de precisión confiable. Es decir, en total debe llegarse a una temperatura de 1830° C. La fundición de precisión de la masa fundida se realiza a continuación mediante métodos en sí conocidos, por ejemplo con unos machos de cera y moldes de cerámica como cera perdida. Los métodos de fundición de precisión de este tipo se conocen para la fundición con precisión de TÍA16V4. Como se aprecia en la imagen (aumento de 1000 veces) en la Fig. 2, se forman unas dendritas y se muestran precipitaciones considerables en las zonas entre dendritas. Esta es la consecuencia de la, así llamada, segregación negativa de las aleaciones de titanio-molibdeno. Este efecto se debe a la curva particular de la temperatura de líquido y sólido en las aleaciones de titanio-molibdeno, tal como se representa en la Fig. 5. Debido a la curva representada de las temperaturas de fusión de la fase líquida (T_) , se solidifican en la masa fundida primeramente las regiones con un alto componente de molibdeno, formándose en esto las dendritas apreciables en la imagen. En consecuencia, el resto de la masa fundida tiene un contenido empobrecido, es decir, su proporción de molibdeno disminuye. Las zonas entre las dendritas tienen en la estructura de fundición un contenido de molibdeno menor a 15%, pudiendo reducirse el contenido de molibdeno a valores de aproximadamente 10%. Como consecuencia del empobrecimiento en molibdeno falta una cantidad suficiente de estabilizadores ß en las zonas entre dendritas. Esto tiene la consecuencia de que se ajusta localmente una temperatura de transformación a/ß mayor, lo que genera las precipitaciones apreciables en la Fig. 2. Es conveniente eliminar una zona marginal, generada eventualmente durante la colada, en forma de una capa dura y rígida (la así llamada capa a) mediante ataque químico. Esta capa posee usualmente una grosor de aproximadamente 0.03 mm) . Para contrarrestar el efecto desfavorable de la segregación negativa con las precipitaciones en las zonas entre dendritas, los cuerpos moldeados, liberados después de la fundición de precisión de los moldes, son sometidos inventivamente a un tratamiento térmico. Para ello se prevé una compresión isostática de alta temperatura (HIP, por sus siglas en inglés), y a saber a una temperatura ligeramente inferior a la temperatura de transición de fase ß. Ésta puede ubicarse en el área de 710° C a 760° C, preferentemente asciende a aproximadamente 740° C. En esto, las precipitaciones indeseables en las zonas entre dendritas entran nuevamente en disolución. No es necesario un reposo previo antes o después de la compresión isostática de alta temperatura. Ciertamente, al enfriar después de este tratamiento, se precipitan nuevamente fases segundarias finas, y a saber preferentemente en las zonas originales entre dendritas (véase Fig. 3, aumento de 1000 veces) . Esto tiene como consecuencia un incremento de rigidez indeseable del material. Por este motivo, los objetos poseen poca ductilidad después de la compresión isostática de temperatura alta. Para eliminar las precipitaciones molestas, los cuerpos moldeados se recuecen en un horno de cámara en una atmósfera de protección (por ejemplo, argón) . Se selecciona para ello un área de temperatura de aproximadamente 700° C a 860° C, con una duración de varias horas, generalmente dos. Existe en esto una relación contraria entre temperatura y duración: a mayor temperatura basta con un tiempo más corto, y viceversa. Después del recocido de disolución se enfrían los cuerpos de fundición bruscamente con agua fría. En la Fig. A (aumento de 1000 veces) se representa la estructura después del recocido de disolución. Se aprecian los granos ß primarios y dentro de los granos unas precipitaciones muy finas entre dendritas (obsérvese la acumulación en forma de nubes arriba a la izquierda en la imagen) . Los objetos producidos mediante fundición de precisión poseen en su estructura cristalina unos granos ß teniendo un tamaño promedio no mayor que 0.3 mm. Este tamaño es típico para la estructura cristalina lograda con el método inventivo. Las características mecánicas obtenidas después del recocido de disolución son reflejadas en la Fig. 1. Se aprecia que el módulo de elasticidad disminuye conforme incremente la temperatura durante el recocido de disolución, y a saber a valores de hasta 60,000 N/mm2. Los valores de tenacidad mejoran conforme disminuyen resistencia y dureza. Así se logran, después de recocido de disolución de dos horas a 800° C un módulo de elasticidad de 60,000 N/mm2 con un estiramiento de rotura de aproximadamente 40% y una resistencia a la rotura Rm de aproximadamente 730 N/mm2.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Método de fundición para objetos de una aleación de titanio ß comprendiendo titanio-molibdeno teniendo un contenido de molibdeno de 7.5 a 25%, caracterizado por fundir la aleación a una temperatura superior a 1770° C, fundición de precisión de la aleación fundida en un molde de fundición que corresponde al objeto por producir, compresión isostática de temperatura alta, recocido de disolución y finalmente enfriar bruscamente. 2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por el uso de una instalación de inducción en vacío de crisol de pared fría para fundir la aleación de titanio ß. 3. Método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por la realización de la compresión isostática de temperatura alta a una temperatura que es tan alta, como máximo, como la temperatura de transición de fase beta de la aleación de titanio-molibdeno y como mínimo 100° C por debajo de la temperatura de transición de fase beta. A . Método según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por la realización del recocido de disolución a una temperatura de aproximadamente 700° C a aproximadamente 900° C. 5. Método según la reivindicación A , caracterizado por la realización del recocido de disolución a una temperatura de 800° C a 860° C. 6. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un enfriamiento brusco, preferentemente con agua fría, después del recocido de disolución. 7. Método según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un endurecimiento final del objeto. 8. Método según la reivindicación 7, caracterizado por la realización del endurecimiento a una temperatura de 600° C a 700° C.