William Gregor, mineralogista y químico aficionado, descubrió por primera vez la ilmenita, una arena negra que contiene uno de los metales más ligeros del mundo, en el Reino Unido en 1791. Cuatro años después, este metal ligero fue aislado y denominado "titanio" por un químico alemán Martin Heinrich Klaproth.

El titanio tiene una resistencia comparable al acero, el metal más usado del mundo, pero es aproximadamente un 56% más denso y un 45% más ligero. El titanio puro es muy difícil de extraer de la ilmenita, por lo que pasaron unos 145 años antes de que el metal se volviera de utilidad general.

Las aleaciones de titanio se fabrican cuando se controlan cantidades de otros elementos, como cromo, planchar, vanadio, aluminio, nitrógeno, niobio, molibdeno, rutenio:se agregan al titanio.

Agregar otros elementos al titanio puede hacerlo más fuerte o más resistente a la corrosión. Esta, junto con otras cualidades, hace que las aleaciones de titanio sean buscadas en la industria aeroespacial, automotor, químico, joyería, biomédico construcción y otras industrias.

Pero el titanio y sus aleaciones son muy caros. Debido a que el titanio es difícil de extraer de su mineral, La creación de productos terminados implica muchos pasos complejos que exigen mucha energía y generan muchos residuos. Por ejemplo, en la industria aeroespacial, donde se usa con más frecuencia, 11 kg de titanio solo hacen 1 kg de producto terminado.

Mis colegas y yo estamos investigando cómo podemos desarrollar nuevas aleaciones de titanio de bajo costo en Sudáfrica que podrían usarse en sectores no aeroespaciales. Investigaciones como esta se están llevando a cabo en otras partes del mundo mientras los científicos trabajan para reducir el costo de las aleaciones de titanio.

Si nuestro trabajo tiene éxito, que yo sepa, Estas pueden ser las primeras aleaciones de titanio de bajo costo diseñadas localmente en Sudáfrica. Las aleaciones de bajo costo allanarían el camino para automóviles asequibles eficientes en combustible e implantes médicos y prótesis asequibles. La industria también crearía oportunidades laborales y generaría ingresos a partir de las ventas.

Tipos de aleaciones

Las aleaciones de titanio pueden existir en tres formas básicas:alfa, beta y una combinación de alfa y beta, según la cantidad y el tipo de metal que se agregue.

Las aleaciones alfa de titanio se crean cuando elementos como el aluminio, estaño, se añaden oxígeno y nitrógeno al titanio. Esto permite que la aleación mantenga su estructura a temperaturas de hasta 882 ° C y mejora su resistencia. También es resistente a la corrosión y la fluencia, lo que significa que se deforma lentamente durante un período prolongado de exposición a altos niveles de estrés.

Pero las aleaciones de alfa titanio son más difíciles de dar forma y, en comparación con otras aleaciones, no mejoran cuando se calienta o enfría. Se utilizan normalmente para estructuras aeroespaciales, motores y embarcaciones que tienen que soportar presiones.

Las aleaciones de titanio beta se fabrican cuando grandes cantidades de elementos, como hierro, vanadio, se añaden cromo y molibdeno. La resistencia a temperatura ambiente de esta aleación es alta, mientras que su resistencia a altas temperaturas es pobre. Estas aleaciones se pueden formar fácilmente en formas, incluso a temperatura ambiente, haciéndolos un material atractivo para implantes ortopédicos.

El tercer tipo de aleación combina alfa y beta. Esto significa que se agregan cantidades considerables de elementos estabilizadores alfa y beta, como hierro y aluminio. Esto le da a las aleaciones una buena combinación de resistencia y ductilidad. Son, con mucho, la aleación más desarrollada y más utilizada. Son adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde la industria aeroespacial hasta la industria automotriz y biomédica.

Aleaciones más baratas

Nuestro objetivo es fabricar un tipo más barato de la tercera aleación:combinación de alfa y beta.

Lo estamos haciendo cambiando la cantidad de elementos que se encuentran en la aleación comercial, conocido como Ti-6Al-4V. Por ejemplo, reemplazamos la mayor parte del vanadio con hierro, porque el vanadio es raro y caro, unas 150 veces más caro que el hierro. Tenemos que tener cuidado en nuestras proporciones porque, por ejemplo, el hierro podría segregarse durante la fusión y formar diferentes compuestos.

También redujimos la cantidad de aluminio en la aleación. Esto se debe a que estudios previos informaron que las aleaciones de titanio que contienen aluminio eran difíciles de formar, y así resultó en el desgaste de las herramientas.

El siguiente paso fue reducir el material de desecho cuando las aleaciones se están formando en formas. La formación de aleaciones de titanio en diferentes formas generalmente representa el 30% del costo total de producción de productos de titanio. y hasta un 20% de residuos generados.

Para hacer esto, analizamos hasta qué punto se pueden manipular las microestructuras (estructura interna que solo se puede ver con microscopios) para obtener las propiedades deseadas en las aleaciones. Esto reduciría el costo durante la producción comercial porque sabemos cuánto podemos estirar o presionar la aleación sin que se rompa.

Produciendo aleaciones

Producimos las aleaciones mediante una técnica convencional llamada fusión por arco al vacío. El horno de fusión por arco al vacío se encuentra en Mintek, la organización nacional de investigación y desarrollo de Sudáfrica.

La limitación de esto es que solo se produjeron muestras del tamaño de un botón. Por lo tanto, no pudimos hacer muestras para una amplia variedad de pruebas.

Comparamos la dureza de las aleaciones y descubrimos que las aleaciones recién fabricadas tenían valores de dureza más altos en comparación con las aleaciones alfa y beta comerciales. En algunos casos fueron comparables.

También examinamos cómo las aleaciones recién fabricadas se corroen en soluciones salinas y ácidas y descubrimos que tenían una mejor resistencia a la corrosión en ambas soluciones.

Pudimos probar muestras de las aleaciones a diferentes temperaturas y velocidades de formación para encontrar la mejor combinación para formar las aleaciones en formas sin defectos. Vimos que las aleaciones tenían una amplia ventana de procesamiento. Solo se tuvo que evitar un pequeño conjunto de temperaturas y velocidades de deformación.

Más por hacer

Hay más por hacer. No pudimos medir la resistencia a temperatura ambiente de estas aleaciones porque necesitábamos muestras más grandes.

Tampoco hemos estudiado la soldabilidad de estas aleaciones o lo fácil que es cortarlas a máquina en diferentes formas y tamaños. El mecanizado de aleaciones de titanio representa alrededor del 30% al 40% del costo total de fabricación.

Mediante el apoyo de un programa de becas postdoctorales de la Academia Africana de Ciencias, recibimos fondos para continuar nuestros estudios sobre las aleaciones recientemente desarrolladas. Ahora podemos producir muestras más grandes utilizando el horno de fusión por inducción al vacío del Consejo de Investigación Científica e Industrial.

El mayor desafío al hacer aleaciones más grandes es que tuvimos que improvisar. Usamos un horno de fusión al vacío que no está diseñado para fabricar nuevas aleaciones. El horno correcto está disponible en Sudáfrica, pero necesita reparación.

Sin embargo, nuestros resultados hasta ahora son alentadores.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.