Aleación de titanio y molibdeno: estructura de fases, dureza y propiedades mecánicas

Las aleaciones de titanio-molibdeno son una familia compacta y bien-estudiada de aleaciones binarias de titanio en las que el molibdeno actúa como elemento beta-estabilizador. Incluso cambios modestos en el contenido de molibdeno mueven la aleación a través de una serie de estructuras de fases, y cada fase aporta un equilibrio diferente de dureza, resistencia a la flexión y rigidez. Por lo tanto, el trabajo publicado sobre aleaciones binarias de Ti-Mo que contienen de 6 a 20% en peso de Mo es un punto de referencia útil cuando se selecciona un material de titanio de bajo-módulo o alta-dureza.

Estructura de fases de aleaciones binarias de Ti-Mo

Los resultados experimentales muestran que la estructura cristalina y la morfología de las aleaciones fundidas de Ti-Mo son sensibles a su contenido de molibdeno. La secuencia es progresiva más que abrupta, razón por la cual el nivel de molibdeno es la primera variable a fijar en cualquier especificación.

Contenido de molibdeno	Estructura dominante	Nota de morfología
Titanio comercialmente puro	Alfa hexagonal-primero ( ')	Morfología parecida a una pluma-
6% en peso de mes	Alfa-doble-primo ( ″) ortorrómbico martensítico acicular fino	Martensita acicular fina
7,5% en peso de Mo	Martensítico ″ domina toda la aleación.	Estructura ″ única dominante
10% en peso de Mo y superior	Fase beta retenida ( )	se convierte en la única fase importante

En el extremo inferior del rango, la fase hexagonal del titanio comercialmente puro da paso a una fina estructura martensítica acicular una vez que el molibdeno alcanza aproximadamente el 6% en peso. Con un 7,5% en peso de Mo, toda la aleación está dominada por la estructura martensítica ″. A partir de aproximadamente el 10% en peso de Mo, la fase retenida se convierte en la única fase principal y el material se comporta como una aleación de beta titanio en lugar de una martensítica.

Dureza en toda la serie Ti-Mo

La dureza sigue la estructura de fases. Entre todas las aleaciones de Ti-Mo examinadas, la aleación de fase ″ Ti-7,5Mo tuvo la dureza más baja, mientras que las aleaciones de fase que contenían 10 y 12,5% en peso de Mo tuvieron la dureza más alta. La microdureza de Ti-7,5Mo fue menor que la de Ti-6Al-4V en un 10,5% y menor que la de Ti-13Nb-13Zr en un 7,7%.

Ti-7,5Mo ( ″)- el grado más blando de la serie binaria y más blando que Ti-6Al-4V y Ti-13Nb-13Zr en términos de microdureza.

Ti-10Mo y Ti-12,5Mo ( )- las calificaciones más difíciles de la serie, lo que refleja la estructura beta totalmente conservada.

Lectura practicaLa dureza - aumenta a medida que la estructura se mueve de ″ a , por lo que el contenido de molibdeno se puede utilizar para ajustar la respuesta al desgaste y la deformación.

Resistencia a la flexión y módulo de flexión

La resistencia y la rigidez no siguen la misma tendencia, y eso es lo que hace que la serie sea interesante. La resistencia a la flexión del Ti-7,5Mo es similar a la del Ti-15Mo y Ti-13Nb-13Zr, y superior a la del titanio comercialmente puro. Por lo tanto, no se sacrifica la resistencia cuando se selecciona la aleación por su baja rigidez.

El módulo de flexión de la aleación Ti-7.5Mo dominada ″-es notablemente más bajo que las alternativas:

22% más bajo que Ti-15Mo

47% más bajo que Ti-6Al-4V

17% más bajo que Ti-13Nb-13Zr

aproximadamente un 40 % más bajo que el titanio comercialmente puro

La combinación de resistencia moderada y módulo bajo es inusual y explica por qué las ″ aleaciones de titanio-molibdeno atraen la atención siempre que un componente debe flexionarse en lugar de resistir.

Por qué es importante la combinación de módulo bajo-

En muchas aplicaciones de titanio, la rigidez excesiva es una desventaja más que una ventaja. Un módulo muy por encima del del material circundante concentra la tensión en la interfaz, y el componente más rígido soporta una parte desproporcionada de la carga. Reducir el módulo y al mismo tiempo mantener la resistencia a la flexión en un nivel comparable permite que la trayectoria de la carga se comparta de manera más uniforme, que es el mecanismo detrás del interés en las aleaciones de titanio de bajo-módulo para componentes que soportan carga-que deben coincidir con la respuesta elástica de las piezas adyacentes.

Los datos de dureza completan el cuadro. Cuando se desea un módulo bajo, la estructura ″ de alrededor del 7,5% en peso de Mo es la elección natural; donde se prefiere una mayor dureza y es aceptable una respuesta más rígida, las estructuras retenidas con 10% en peso de Mo y más son más adecuadas. Debido a que la estructura de fases es tan sensible al contenido de molibdeno, las pequeñas diferencias de composición se traducen en diferencias de propiedades mensurables, y una especificación que deja abierto el rango de molibdeno no entregará propiedades consistentes.

Guía de selección y procesamiento

Primero arregle el rango de molibdeno.- la fase, y por lo tanto la dureza y el módulo, se derivan directamente de ella. Trate un cambio de un pequeño porcentaje en peso como un cambio de material.

Confirmar la fase en el producto terminado.La - difracción de rayos X-en el molde o en la condición-tratada térmicamente es la forma directa de verificar si se ha obtenido ″ o una mezcla.

Mida las propiedades que importan- microdureza para el comportamiento de desgaste y deformación, y flexión de tres-puntos para la resistencia a la flexión y el módulo de flexión.

Comparar con referencias conocidas- Ti-6Al-4V, Ti-15Mo y Ti-13Nb-13Zr proporcionan las bases establecidas para comparaciones de dureza, resistencia a la flexión y módulos.

Espere sensibilidad de lanzamiento- debido a que la estructura y la morfología dependen del contenido de molibdeno, se debe controlar y documentar el historial térmico durante la fundición y cualquier tratamiento posterior.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué aleación de Ti-Mo tiene la dureza más baja?
La aleación de fase ″ Ti-7,5Mo tiene la dureza más baja entre las aleaciones binarias de titanio-molibdeno estudiadas.

P: ¿Qué aleaciones de la serie son las más duras?
Las aleaciones de fase que contienen 10 y 12,5% en peso de Mo mostraron la mayor dureza de la serie.

P: ¿Cómo se compara el Ti-7.5Mo con el Ti-6Al-4V en microdureza?
Su valor de microdureza es un 10,5% inferior al del Ti-6Al-4V y un 7,7% inferior al del Ti-13Nb-13Zr.

P: ¿El Ti-7.5Mo es más débil a la hora de doblarse que otras aleaciones de titanio?
No. Su resistencia a la flexión es similar a la del Ti-15Mo y el Ti-13Nb-13Zr, y superior a la del titanio comercialmente puro.

P: ¿Qué tan bajo es el módulo de flexión de ″ Ti-7.5Mo?
Es un 22 % más bajo que el Ti-15Mo, un 47 % más bajo que el Ti-6Al-4V, un 17 % más bajo que el Ti-13Nb-13Zr y aproximadamente un 40 % más bajo que el titanio comercialmente puro.

P: ¿Por qué es tan importante el contenido de molibdeno?
Debido a que la estructura cristalina y la morfología de la aleación fundida son sensibles a ella: 6% en peso de Mo da martensítico acicular fino ″, 7,5% en peso de Mo está dominado por ″ y 10% en peso de Mo o más hojas se retienen como la única fase principal.

P: ¿Cuál es el uso práctico de este mapa de propiedades?
Permite adaptar la aleación a la aplicación - la ″ estructura donde se necesita un módulo bajo y las estructuras donde se prefiere una mayor dureza.