El titanio y sus aleaciones poseen numerosas propiedades excepcionales, que incluyen baja densidad, alta resistencia específica, excelente resistencia a la corrosión y buena biocompatibilidad. Se utilizan ampliamente en diversos sectores, como el aeroespacial, el petroquímico, la ingeniería biomédica y la defensa nacional. A través de la introducción de tecnología-a largo plazo, la investigación y el desarrollo independientes y la promoción de aplicaciones, la industria del titanio de China ha entrado en una fase de rápido desarrollo, con una producción en constante aumento, consolidando su posición como un actor importante en la industria global del titanio. En los últimos años, la demanda de titanio y sus aleaciones ha seguido creciendo, sus entornos de servicio se han vuelto más diversos, los procesos de conformado se han vuelto cada vez más complejos y los requisitos para las especificaciones de rendimiento de los materiales han aumentado continuamente.
El procesamiento de plástico es una técnica de fabricación que utiliza fuerzas externas para inducir la deformación plástica en los materiales, logrando así las formas, microestructuras y propiedades deseadas. Los métodos comunes de procesamiento de plástico incluyen forjado, laminado, extrusión, trefilado e hilado. Sin embargo, el titanio y sus aleaciones exhiben una mayor resistencia y dureza junto con una menor plasticidad y tenacidad durante la deformación plástica. El procesamiento también puede provocar fácilmente problemas como grietas en la superficie, oxidación y rugosidad excesiva, que pueden afectar negativamente a las propiedades mecánicas, la resistencia a la corrosión y la posterior precisión del ensamblaje de los componentes. En los últimos años, la tecnología emergente de conformado superplástico (SPF) ha tenido una aplicación generalizada, mejorando significativamente los desafíos de conformabilidad de las aleaciones de titanio.
Actualmente, las tecnologías de procesamiento de plástico abarcan métodos tanto tradicionales como novedosos. Seleccionar la técnica de procesamiento de plástico adecuada es crucial para mejorar la calidad de los productos de titanio y aleaciones de titanio. Este artículo revisa el progreso de la investigación y el estado de la aplicación de las principales técnicas de procesamiento de plástico para titanio y sus aleaciones (forja, laminación, extrusión, etc.) y ofrece perspectivas sobre las tendencias de desarrollo futuras.
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Técnicas tradicionales de procesamiento de plástico
Forja
La forja es un método común para procesar componentes metálicos. Se trata de aplicar presión para provocar la deformación plástica, obteniendo así piezas con la forma y microestructura deseada. Debido a las características de la estructura cristalina de las aleaciones de titanio, sus productos son muy sensibles a los parámetros de forjado (p. ej., temperatura, cantidad de deformación), lo que requiere un control estricto del proceso. Durante la forja, los granos de titanio se reorganizan y se vuelven más densos, se eliminan las impurezas y los huecos internos y se alivian parcialmente las tensiones internas.
En consecuencia, se mejoran la uniformidad, la pureza, las propiedades mecánicas y la calidad de la superficie del material. Sin embargo, sus inconvenientes también son evidentes: eficiencia de producción relativamente baja, desafíos importantes en el control de procesos y dificultad para procesar piezas con geometrías complejas.
Laminación
Se prefiere el laminado por su bajo costo y conveniencia operativa. Los materiales metálicos sufren una deformación severa durante el laminado y el ajuste de los parámetros del proceso puede alterar su microestructura y propiedades mecánicas. Según la temperatura de procesamiento, el laminado se clasifica en laminado en caliente y laminado en frío. La laminación en caliente, realizada a temperaturas elevadas, puede eliminar defectos en la palanquilla y permite grandes deformaciones. En regiones de alta deformación, se produce recuperación dinámica y recristalización. Por lo general, el laminado en frío no induce la recuperación o la recristalización, pero puede mejorar la resistencia del material y el acabado de la superficie. Generalmente se utiliza como paso final en la producción de láminas y tiras.
Additionally, annealing can be incorporated during rolling to control deformation, or bending distortions can be directly corrected. In recent years, rolling technology in China has developed rapidly, becoming a crucial forming method for titanium and titanium alloy products like plates, bars, and tubes. Compared to forging, rolling offers higher efficiency, greater product precision, and significantly lower production costs, making it suitable for low-cost manufacturing of titanium alloys. Plates are categorized by thickness into thick plates (>4,76 mm) y placas delgadas (menor o igual a 4,76 mm). Las placas gruesas se laminan en caliente-hasta alcanzar las dimensiones finales, mientras que las placas delgadas pueden someterse a un laminado en caliente seguido de un laminado en frío, o a métodos más eficientes como el laminado en paquete, el laminado en caliente o la producción de bobina-a-bobina. Las barras se producen principalmente utilizando técnicas de procesamiento de grandes-deformaciones.
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Extrusión
El conformado por extrusión, mediante la aplicación de tensión de compresión triaxial, permite una gran deformación plástica y mejora el rendimiento integral de los productos. Ofrece ventajas como una amplia aplicabilidad, alta eficiencia de producción y un flujo de proceso relativamente simple, lo que lo convierte en un método común para producir tubos y barras de aleación de titanio. Según la relación entre la dirección del flujo del metal y el movimiento del punzón, la extrusión se puede clasificar en extrusión directa (directa), extrusión inversa (indirecta), extrusión combinada y extrusión radial. Debido a la severa recuperación elástica del titanio y sus aleaciones, su proceso de deformación por extrusión es más complejo que el de otras aleaciones, lo que hace que la temperatura de extrusión y los parámetros del proceso sean particularmente importantes.
En comparación con el forjado y el laminado, la extrusión logra más fácilmente la deformación de metales de baja-ductibilidad y la unión de metales diferentes. También evita la necesidad de costosos juegos completos de diseños de matrices, lo que ofrece una alta eficiencia de procesamiento y flexibilidad de producción. Sin embargo, debido a las propiedades físicas y químicas únicas de las aleaciones de titanio, durante la extrusión pueden ocurrir problemas como aumento de temperatura, mayor resistencia a la deformación y adherencia del troquel. Seleccionar métodos de lubricación y lubricantes adecuados es clave para reducir eficazmente la fuerza de extrusión, extender la vida útil de la matriz y mejorar la calidad del producto, y se ha convertido en una tecnología crítica en la producción de extrusión de aleaciones de titanio. Además, factores como el diseño del troquel de extrusión y los parámetros del proceso influyen en la calidad de los perfiles de aleación de titanio.
Los parámetros clave incluyen la relación de extrusión (λ), la temperatura de calentamiento del tocho y la velocidad de extrusión. La relación de extrusión está relacionada con el tipo de aleación, el método de extrusión, los requisitos del producto y la capacidad de la prensa. Los lubricantes para vidrio pueden proteger eficazmente el tocho durante el calentamiento y proporcionar lubricación durante la extrusión. Además, la velocidad de extrusión afecta no sólo a las propiedades del producto y la calidad de la superficie, sino también a la fuerza de extrusión. Una velocidad excesiva puede provocar un flujo de metal desigual; las velocidades de extrusión adecuadas son generalmente inferiores a 200 mm/s.
Nuevas técnicas de procesamiento de plástico
El titanio y sus aleaciones se caracterizan por una alta resistencia a la deformación y una compleja evolución microestructural durante el trabajo en caliente. Las técnicas convencionales de procesamiento de plástico, como forjado, laminado y extrusión, a menudo tienen dificultades para formar formas complejas. La tecnología Superplastic Forming (SPF) aborda eficazmente este problema. Es una técnica de fabricación de componentes altamente eficiente adecuada para materiales, como ciertas aleaciones de titanio, que exhiben superplasticidad en condiciones intrínsecas y extrínsecas específicas. El uso de SPF no sólo puede reducir los costos de fabricación sino también mejorar significativamente la eficiencia del conformado. Se ha convertido en un método importante para el procesamiento de aleaciones de titanio y se utiliza ampliamente en el sector aeroespacial.
Los principales métodos de SPF incluyen la conformación por estiramiento superplástico, la forja con matriz superplástica, la extrusión superplástica y la conformación por soplado superplástico (conformación por presión de gas). SPF ofrece ventajas como gran deformación, ausencia de estricción, baja tensión de flujo y buena formabilidad. Las técnicas de deformación plástica severa (SPD) pueden mejorar la resistencia y la tenacidad del material, logrando propiedades integrales mejoradas.
Los principales métodos de SPD incluyen torsión de alta presión (HPT), procesamiento/soldadura por fricción y agitación (FSP/FSW), prensado angular de canal igual (ECAP), unión por rollo acumulativo (ARB) y forjado multidireccional (MDF). Además, para cumplir con los estrictos requisitos de materiales en diferentes entornos de servicio, los investigadores han combinado SPF con técnicas tradicionales como forjado, laminado, extrusión y trefilado, desarrollando varias tecnologías de deformación de compuestos que han sido ampliamente estudiadas. En los últimos años, el alcance de la investigación sobre los SPF se ha ampliado continuamente, pero la profundidad de la investigación sigue siendo insuficiente. Aún queda mucho trabajo en la etapa teórica y experimental. Es necesaria una mayor exploración de los mecanismos intrínsecos y las reglas de procesamiento de la conformación superplástica para aleaciones de titanio, junto con mejoras en los métodos de procesamiento, equipos, calidad de los componentes, eficiencia de producción y expansión de los rangos de aplicación.
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La unión por difusión (DB), también conocida como soldadura por difusión, es una técnica de soldadura en estado sólido-en la que los materiales se ponen en contacto bajo cierta temperatura y presión, logrando una unión estrecha mediante una difusión atómica prolongada. Permite unir grandes-áreas con una tensión residual mínima. Cuando la temperatura de formación superplástica de un material está cerca de su temperatura de unión por difusión, SPF y DB se pueden completar en un solo ciclo de calentamiento/presión para producir estructuras rígidas local o integralmente o componentes monolíticos más complejos. Esto ha evolucionado hasta convertirse en el proceso de formación superplástica/unión por difusión (SPF/DB). La tecnología SPF/DB ha sido ampliamente investigada y aplicada en la aviación y ofrece beneficios tales como: ① formar múltiples piezas en una estructura monolítica en un ciclo de calentamiento, lo que reduce los costos; ② Deformación grande, sin grietas-con tensión residual mínima y alta precisión de conformado; ③ Excelente rendimiento general de la estructura, con mayor resistencia a la fatiga y la corrosión.
Las demandas actuales en las industrias aeroespacial, automotriz y de alta-tecnología para el procesamiento de componentes enfatizan el peso ligero, la alta resistencia-la precisión, la alta eficiencia y la sostenibilidad. Muchos procesos de conformado de plástico de precisión requieren matrices específicas y pueden consumir mucha energía-. La tecnología de conformado incremental ha atraído la atención por superar los inconvenientes del conformado de precisión tradicional, como la alta especificidad del troquel y el consumo de energía. Sin embargo, hay relativamente pocos informes de investigación sobre el conformado incremental de aleaciones de titanio. Los procesos existentes adolecen de inconvenientes como susceptibilidad a defectos de conformación, mala estabilidad de la conformación y equipos complejos y costosos.
Existen numerosos métodos de procesamiento de plástico para el titanio y sus aleaciones, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. El proceso apropiado debe seleccionarse en función de requisitos específicos, generalmente siguiendo estos principios: operación confiable y simple; satisfacer las necesidades de rendimiento del producto; Bajo costo de proceso. A medida que los campos de aplicación del titanio y sus aleaciones continúan expandiéndose, se desarrollan e investigan continuamente nuevas tecnologías y procesos eficientes, de alta-calidad y bajo-costo (como SPF, SPF/DB, conformado incremental de compuestos, etc.). Con una investigación en profundidad-en curso sobre nuevas tecnologías y técnicas de procesamiento de aleaciones de titanio, la calidad y la competitividad del producto seguirán mejorando.
