Razones para usar titanio
reducir el peso
La alta resistencia y la baja densidad del titanio (aproximadamente un 40% más bajo que el acero) brindan muchas oportunidades para la reducción de peso. Los mejores ejemplos son su uso en los trenes de aterrizaje de aviones Boeing 777 y 787 y Airbus A380. La Figura 1 muestra el tren de aterrizaje en el avión 777. 1 Todas las piezas marcadas están hechas de Ti-10V-2Fe-3Al. La resistencia mínima a la tracción de esta aleación es de 1.193 MPa; se utiliza para reemplazar el acero de baja aleación de alta resistencia 4340M utilizado a 1.930 MPa. Este reemplazo resultó en una reducción de peso de más de 580 kg. 1 Boeing 787 utiliza la próxima generación de aleación de titanio de alta resistencia Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, que es ligeramente más alta en resistencia y tiene ciertas ventajas de procesamiento. El uso de titanio en la estructura del tren de aterrizaje también debería reducir significativamente el costo de mantenimiento del tren de aterrizaje a su resistencia a la corrosión. La baja densidad y la alta resistencia lo hacen muy atractivo para piezas recíprocas, como bielas para aplicaciones automotrices. Del mismo modo, el precio de los automóviles familiares es demasiado alto, pero el Departamento de Energía de los Estados Unidos está invirtiendo fuertemente para hacer que el precio de los componentes de titanio para automóviles y camiones sea razonable. (El titanio se ha utilizado con éxito en autos de carreras de alta gama, y el costo no es un problema tan grande).
Limitaciones de espacio
Esta aplicación no aparece a menudo, pero es importante. Los mejores ejemplos son las vigas del tren de aterrizaje utilizadas en el 737, 747 y 757. Este componente corre entre las alas y el fuselaje, soportando el tren de aterrizaje. Otros aviones Boeing usan aleación de aluminio en esta aplicación, pero para los aviones anteriores, la carga es mayor y la estructura de aluminio no es adecuada para la envolvente del ala. La aleación de aluminio será la primera opción porque su costo es mucho menor. El acero es otra opción, pero el peso será mayor.
Temperatura de funcionamiento
La estructura del motor y el área de escape funcionan a altas temperaturas, por lo que la opción principal son aleaciones a base de titanio o níquel; del mismo modo, las aleaciones de níquel aumentarán significativamente el peso. La temperatura de servicio de la aleación del motor de titanio es tan alta como aproximadamente 600 ° C. Algunas aplicaciones, como enchufes y boquillas (Figura 2), pueden soportar temperaturas superiores a esta temperatura durante un corto período de tiempo bajo ciertas condiciones de funcionamiento. A excepción de las aleaciones especiales para motores, el límite de temperatura de las aleaciones de titanio es de aproximadamente 540 ° C. Por encima de esta temperatura, la contaminación por oxígeno se convierte en un problema, haciendo que la superficie sea quebradiza. El titanio también se utiliza en estructuras a bajas temperaturas, como los impulsores de los motores de cohetes.
Resistencia a la corrosión
El titanio tiene un óxido naciente muy resistente que se formará inmediatamente cuando se exponga al aire. Este óxido es responsable de la excelente resistencia a la corrosión. En el entorno aeroespacial, la corrosión no es un factor en el titanio. El titanio no está picado. En opinión del autor, esta es la esencia de la experiencia de servicio de alta calidad. En uso, las aleaciones de aluminio y acero eventualmente formarán pozos de corrosión, que actúan como elevadores de tensión y luego causan corrosión por tensión o grietas por fatiga. Esto no sucede con el titanio. Esta resistencia a la corrosión atraviesa las industrias química, petroquímica, de pulpa, papel y construcción. El titanio y sus aleaciones tienen una excelente resistencia en la mayoría de las condiciones de reducción oxidante, neutra e inhibida. También tiene resistencia a la corrosión en el cuerpo humano. La biocompatibilidad también es muy buena; se utiliza en un dispositivo protésico, y el hueso crecerá hasta convertirse en una estructura de titanio razonablemente diseñada. El titanio puro comercial también se utiliza en aplicaciones de construcción exterior, y esta práctica comenzó en Japón. Se utiliza en la superficie exterior porque nunca necesita ningún mantenimiento. El más famoso de ellos es su uso en el exterior del Museo Guggenheim en Bilbao, España.
Compatibilidad de materiales compuestos
El titanio es compatible con fibras de grafito en compuestos de polímeros. Existe un alto potencial eléctrico entre el aluminio y el grafito. Si el aluminio entra en contacto con el grafito cuando está mojado, el aluminio se corroerá. Se puede aislar de materiales compuestos por métodos como capas de fibra de vidrio, pero en áreas que son difíciles de inspeccionar y reemplazar, el titanio se utiliza como un método conservador. Además, aunque el coeficiente de expansión térmica (CTE) del titanio es mayor que el del grafito, es mucho menor que el del aluminio. Incluso dentro del rango de temperatura de funcionamiento de la estructura del fuselaje, desde aproximadamente -60 ° C durante el crucero hasta + 55 ° C en climas cálidos, la diferencia en CTE de la estructura de aluminio unida al material compuesto causará una carga muy alta. Esto no es un problema con la estructura de titanio. Obviamente, cuanto más largo sea el componente, mayor será el problema de usar aluminio.
Módulo bajo
La principal área de importancia es el reemplazo de resortes de acero. Dado que el módulo es aproximadamente la mitad que el acero, solo se necesita la mitad del número de bobinas. Combinando alta resistencia y densidad (aproximadamente el 60% del acero), los resortes de acero pueden reducir idealmente el peso en aproximadamente un 70%. Además, el titanio proporciona una excelente resistencia a la corrosión, reduciendo así los costos de mantenimiento.
Armadura
El titanio tiene una excelente resistencia balística. En comparación con la armadura de acero o aluminio, tiene la misma protección balística en la densidad areal de interés y puede reducir el peso en un 15-35%, lo que reduce en gran medida el peso de los vehículos militares de combate terrestre. Los vehículos más ligeros tienen una mejor transportabilidad y maniobrabilidad. La excelente resistencia a la corrosión, el bajo ferromagnetismo y la compatibilidad con materiales compuestos también proporcionan ventajas significativas. Dos proyectos que utilizan titanio en vehículos mejorados son el vehículo de combate de infantería Bradley (Figura 3) y el tanque de batalla principal Abrams. 2 El costo relativamente alto del titanio se ha reducido con éxito mediante el uso de placas hechas de haces de electrones, hogares fríos y lingotes de fusión simple. 3
