Aleación basada en titanio-silicio, de alta resistencia y resistente al desgaste y a la oxidación.

Una aleación basada en silicio-titanio resistente al desgaste y a la oxidación y de elevada resistencia

caracterizada por que la aleación contiene:

2,5 - 12 % en peso de Si

0 - 5 % en peso de Al

0 - 0,5 % de B

0 - 5 % de Cr

0,001 - 1 % en peso de metales de las tierras raras y/o itrio y/o escandio, Ti de equilibrio con impurezas inevitables.

Aleación basada en titanio-silicio, de alta resistencia y resistente al desgaste y a la oxidación Campo de la invención La presente invención se refiere a aleaciones basadas en titanio que contienen silicio de alta resistencia, opcionalmente, con aditivos de aluminio, boro, cromo, escandio y metales de las tierras raras (Y, Er y Ce y mezclas de metales que contienen La) .

Técnica anterior Una variedad de aleaciones de ï?¡/ï?¢-titanio de dos fases y casi ï?¡-titanio, tales como Ti-6Al-4V, IMI 834 (Ti-5, 8-Al-4Sn-3Zr-0, 7Nb-0, 5Mo-0, 35Si-0, 06C) y TIMET 1100 (Ti-6Al-2, 7Sn-4Zr-0, 4Mo-0, 45Si) muestran un gran potencial de aplicación en la industria de aeroplanos y espacial.

Entre ellos, Ti-6Al-4V exhibe la aplicación más amplia debido a una combinación óptima de elevada resistencia y tenacidad de fractura y excelentes propiedades de fatiga a temperatura ambiente y temperatura elevada. No obstante, estas aleaciones tienen varias desventajas tales como una resistencia de oxidación pobre por encima de 474 º C (formación de capa-ï?¡) , resistencia insuficiente frente a la deformación permanente por fatiga a 600 º C y temperaturas elevadas y escasa resistencia al desgaste a temperatura ambiente y temperatura elevada. La capa-ï?¡ provoca la formación de grietas sobre la superficie oxidada y tiene el efecto negativo sobre las propiedades de fatiga. Los procesos de fusión por arco de estas aleaciones de puntos de fusión relativamente elevados de aproximadamente 1600 º C y el sobrecalentamiento de fusión necesario hasta aproximadamente 1750 º C a 1770 º C son procedimientos de elevado consumo energético para la fabricación de coladas a la cera perdida para la industria de aeroplanos y espacial y con fines de ingeniería en general.

Las aleaciones basadas en titanio que tienen bajo contenido en silicio se conocen bien. De este modo, el documento JP 2002060871 A describe una aleación de titanio que contiene 0, 2-0, 3 % en peso de Si, 0, 1-0, 7 % en peso de O (contenido total de oxígeno) y 0, 16-1, 12 % en peso de N y 0, 001-0, 3 % en peso de B y el resto impurezas inevitables que incluyen titanio, usada para productos de colada.

Estos son por ejemplo cabezas para palos de golf, aparejos de pesca y componentes médicos tales como raíces dentales, implantes, placas óseas, articulaciones y coronas. No obstante, la aleación basada en titanio de bajo contenido en silicio presenta una desventaja, la formación de una aguja pequeña de tipo Ti3Si que precipita a lo largo de las fronteras de grano, que disminuye la tenacidad de fractura y la ductilidad de este material.

A partir del documento "Structures and properties of refractor y silicides, Ti5Si3 y TiS2 and Ti-Si- (Al) eutectic alloys", de Frommeyer y col., publicado en mayo de 2004, se describe una aleación hipereutéctica de Ti-Si7, 5-Al1 en la página 301. Además, se afirma que con un contenido creciente de silicio de hasta 9 % en peso, la microestructura de la muestra colada consiste en una dispersión fina de partículas de siliciuro de Ti5Si3 dentro de la matriz de disolución de sólidos ï?¡-Ti (Si) .

Las aleaciones descritas por Frommeyer y col. tienen una dureza excelente y resistencia a la fluencia. La resistencia en caliente de la aleación de Ti-Si-Al, no obstante, es moderada y no existe indicativo de resistencia de oxidación a temperatura elevada.

De este modo, es necesario que la aleación tenga una resistencia elevada a temperaturas elevadas, tenga un punto de fusión más bajo que las aleaciones de Ti-Al-V y tenga buenas propiedades de colada.

Descripción de la invención Por medio de la presente invención, se proporcionan aleaciones de Ti-Si con contenidos de silicio relativamente elevados que exhiben un punto de fusión relativamente bajo debido a su constitución eutéctica, buenas propiedades de colada y elevada resistencia a temperaturas elevadas, así como también una resistencia muy elevada frente a la oxidación y deformación progresiva a temperaturas elevadas.

De este modo, la presente invención se refiere a una aleación de Ti-Si que comprende 2, 5-12 % en peso de Si, 0-5 % en peso de Al, 0-5 % en peso de Cr, 0-0, 5 % en peso de B, 0, 001-1 % en peso de metales de las tierras raras y/o itrio y/o Sc, siendo el resto impurezas de Ti.

De acuerdo con una realización preferida, la aleación contiene 0, 3-3 % en peso de Al.

De acuerdo con otra realización preferida, la aleación de Ti-Si contiene 3-6 % en peso de Si y 1, 2-2, 5 % en peso de Al.

De acuerdo con otra realización preferida, la aleación contiene de 0, 001 a 0, 15 % en peso de metales de las tierras raras y/o escandio.

Se ha descubierto que la adición de metales de las tierras raras y/o itrio y/o escandio mejora la resistencia en caliente y la resistencia de deformación plástica de la aleación de Ti-Si hasta al menos 675 º C.

Las adiciones de escandio e itrio de las tierras raras forman una dispersión fina de óxidos termodinámicamente estables, tales como Er2O3, Y2O3, etc. en la aleación.

Preferentemente, la aleación contiene de 0, 1 a 1, 5 % en peso de Cr. La adición de Cr mejora el endurecimiento de la disolución de sólidos y, por tanto, aumenta la resistencia y aumenta la resistencia frente a la oxidación de la aleación.

En el estado de colada, la aleación de Ti-Si posee microestructuras hipoeutécticas de grano fino, eutécticas o ligeramente hipereutécticas que dependen del contenido de silicio. La microestructura de la aleación de Ti-Si eutéctica consiste en partículas de siliciuro Ti5Si3 finamente dispersadas de forma continua de tipo vástago dentro de la matriz de disolución de sólidos de ï?¡-Ti (Si) hexagonal con empaquetamiento cerrado. La microestructura hipoeutéctica consiste en cristales de ï?¡-Ti (Si) solidificados principales y el material eutéctico circundante.

La aleación de Ti-Si de acuerdo con la invención tiene una carga de deformación remanente de al menos 800 MPa, un dureza de Brinell de 350-400 HB y ductilidad suficiente y factor KIC de tenacidad de fractura-intensidad de tensión de más que 23 MPaâ?m a temperatura ambiente y hasta 500 º C.

La aleación de Ti-Si de acuerdo con la invención además exhibe excelente resistencia frente a la oxidación hasta 650 º C y por encima, dependiendo del contenido de Si y una mejor resistencia frente al desgaste tanto a temperatura ambiente como a temperatura elevada. El límite de fluencia a 650 º C es de al menos RP0, 2 ï³ 250 MPa y la resistencia de tracción supera Rm = 450 MPa.

Las microestructuras hipereutécticas consisten en cristales de Ti5Si3 solidificados primarios de forma hexagonal dentro de la microestructura eutéctica de granos finos.

En el estado de colada, las aleaciones de Ti-Si hipoeutécticas exhiben a temperatura ambiente valores KIC de tenacidad de fractura de más de 23 MPaâ?m, carga de deformación remanente de más que 500 MPa con una deformación plástica de más que 1, 5 a 3 %.

La aleación eutéctica muestra una tenacidad de fractura de KIC de 15-18 MPaâ?m y la carga de deformación remanente supera 850 MPa a temperatura ambiente. A 600 º C y por encima, la tenacidad de fractura aumenta hasta 30 MPaâ?m y la resistencia es del orden de al menos Rm = 450 MPa.

Los ensayos de oxidación con exposición al aire a 600 º C han tenido como resultado un aumento de la masa de menos que 5 mg/cm2 tras 500 horas. En comparación, la aleación de Ti-Al6-V4 convencional exhibe una formación de capa alfa a 475 º C durante la exposición al aire de larga duración.

La carga de fluencia (carga aplicada a una temperatura dada cuando el estiramiento es ï?¥ = 107 s-1) de la aleación de Ti-Si eutéctica de acuerdo con la invención es mayor que 200 MPa a 600 º C. Por el contrario, la aleación de Ti-Al6-V4 con aplicación potencial en la industria de aeroplanos y espacial exhibe una carga de fluencia de aproximadamente 150 MPa a 450 º C.

La aleación de Ti-Si de acuerdo con la invención tiene un punto de fusión bajo de entre aproximadamente 1330 y aproximadamente 1380 º C. La aleación de acuerdo con la invención tiene además excelentes propiedades de colada que hacen posible someter a colada prácticamente cualquier tamaño y forma. Como resultado de su espectro de propiedades características presentadas anteriormente, la aleación de Ti-Si de acuerdo con la presente invención es ventajosamente apropiada para la fabricación de diversos componentes, sometidos a temperaturas elevadas, tales como:

vástagos de conexión, coronas de pistones, pasadores de pistones, válvulas de entrada y salida y colectores de tubos de gases de escape de motores de combustión interna y motores diesel;

álabes estáticos... [Seguir leyendo]

1. Una aleación basada en silicio-titanio resistente al desgaste y a la oxidación y de elevada resistencia caracterizada por que la aleación contiene: 2, 5 -12 % en peso de Si 5 0 -5 % en peso de Al 0 -0, 5 % de B

-5 % de Cr 0, 001 -1 % en peso de metales de las tierras raras y/o itrio y/o escandio, Ti de equilibrio con impurezas inevitables.

2. La aleación de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que la aleación contiene 0, 3 a 3 % en peso de Al.

3. La aleación de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que la aleación contiene 0, 001 -0, 15 % en peso de metales de las tierras raras y/o escandio.

4. La aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-3, caracterizada por que la aleación contiene de 0, 1 a 1, 5 % en peso de Cr.

5. La aleación de acuerdo con la reivindicación 1-4, caracterizada por que la aleación contiene de 0, 01 a 0, 03 % en peso de B.

6. La aleación de acuerdo con las reivindicaciones 1-5, caracterizada por que la aleación contiene 3-6 % en peso de Si y 1, 2-2, 5 % en peso de Al. 2.

7. La aleación de acuerdo con la reivindicación 1, con composición casi eutéctica y microestructura relacionada, caracterizada por que la aleación contien.

6. 9 % en peso de Si 1, 2 -2, 5 % en peso de Al 0, 001 -0, 15 % en peso de metales de las tierras raras 25 con un límite aparente de fluencia de más que 700 MPa a temperatura ambiente, una tenacidad de fractura de más que KIC = 15 y una resistencia mejorada frente a la oxidación y al desgaste.