El titanio y sus aleaciones exhiben una combinación única de propiedades físicas, mecánicas y resistencia a la corrosión, que los han hecho deseables para las industrias críticas y exigentes como las aeroespaciales, industriales, químicas y energéticas.†De los principales atributos de estas aleaciones, enumerados en la Tabla 1, la elevada relación entre resistencia y densidad del titanio‚Äô representa el principal incentivo tradicional para su selección y diseño en motores aeroespaciales y en estructuras y componentes de fuselajes. Su excepcional resistencia a la corrosión y a la erosión proporciona la principal motivación para su uso marítimo, industrial y en procesos químicos. La figura 1 muestra la eficiencia estructural superior de las aleaciones de titanio de alta resistencia en comparación con las aleaciones estructurales de aceros y aluminio, en especial cuando las temperaturas a las que deben exponerse aumentan. Las aleaciones de titanio también ofrecen propiedades atractivas a temperatura elevada para aplicaciones en componentes de turbinas de gas caliente y motores de automóviles, donde pueden elegirse aleaciones más resistentes a la deformación para temperaturas de hasta 600 °C (1100 °F) [veáse la figura 2].

La familia de aleaciones de titanio ofrece un amplio espectro de resistencia y combinaciones de resistencia y tenacidad a la fractura, tal como se muestra en la figura 3.†Esto permite una selección optimizada de aleaciones que pueden hacerse a medida para un componente crítico en base a si está controlado por la fuerza y resistencia a la fatiga, o por la tenacidad y la propagación de fisuras (es decir, tamaño crítico de grietas) durante el servicio.†Las aleaciones de titanio también exhiben una excelente vida útil y resistencia a la fatiga en aire, no viéndose relativamente afectadas por el agua de mar (figura 4) y otros entornos.†La mayoría de las aleaciones de titanio pueden procesarse para proporcionar alta tenacidad a la fractura con mínima degradación ambiental (es decir, buena resistencia a las fisuras de corrosión por tensión) de ser necesario.†De hecho, las aleaciones de titanio de menor resistencia son, en general, resistentes a las fisuras de corrosión por tensión y a la fatiga por corrosión en medios cloruros acuosos. Para componentes críticos en cuanto a presión y recipientes para aplicaciones industriales, las aleaciones de titanio reúnen los requisitos necesarios según numerosos códigos de diseño y ofrecen atractivas cantidades permisibles de diseño de hasta 315 °C (600 °F), tal como se muestra en la figura 5. Algunos códigos de diseño de presión comunes son el código ASME para Calderas y Recipientes a Presión (secciones I, III y VIII), el código de presión ANSI (ASME) B31.3, los códigos europeos BS-5500, CODAP, Stoomwezen y Merkblatt, el código australiano AS 1210 y el código japonés JIS.

Resistencia a la corrosión y a la erosión

Las aleaciones de titanio exhiben una resistencia excepcional a una extensa gama de condiciones y entornos químicos, proporcionada por una delgada, invisible pero extremadamente protectora película superficial de óxido.†Esta película, que está compuesta principalmente de TiO₂, es muy tenaz, adherente y químicamente estable, y puede repararse a sí misma de manera espontánea e instantánea ante daños mecánicos si hay un mínimo contenido de oxígeno o agua (humedad) presente en el entorno. Esta protección metálica se extiende de condiciones ambientales ligeramente reductoras a severamente oxidantes, y de altamente ácidas a moderadamente alcalinas; incluso a altas temperaturas.†Al titanio se lo conoce especialmente por su elevada resistencia al ataque localizado y la corrosión por tensión en cloruros acuosos (p. ej.: salmueras, agua de mar) y otros haluros y halógenos húmedos (p. ej.: Cl₂ húmedo o Cl₂-salmueras sat.), y a las soluciones ácidas calientes altamente oxidantes (p. ej.: FeCl₃ y soluciones de ácido nítrico), donde la mayoría de las aleaciones basadas en aceros, aceros inoxidables y cobre (y níquel) pueden sufrir ataques severos. A las aleaciones de titanio también se las reconoce por su resistencia superior a la erosión, la erosión-corrosión, la cavitación y los impactos en fluidos correntosos y turbulentos.†Esta excepcional resistencia a la corrosión y la erosión de este metal forjado también puede esperarse en las soldaduras correspondientes, las zonas afectadas por el calor y las piezas fundidas de la mayoría de las aleaciones de titanio, ya que se forma la misma superficie protectora de óxido.

La útil resistencia de las aleaciones de titanio está limitada en medios ácidos fuertes y altamente reductores, tales como soluciones moderadas o altamente concentradas de HCl, HBr, H₂SO₄ y H₃PO₄, y en soluciones de HF en todas las concentraciones, particularmente cuando la temperatura aumenta.†Sin embargo, la presencia de una base o una especie oxidante contaminante común (p. ej.: aire, oxígeno, productos de aleaciones metálicas ferrosas y otros iones metálicos o compuestos oxidantes), incluso en concentraciones tan bajas como 20-100 ppm, pueden a menudo mantener o extender notoriamente los límites de rendimiento útil del titanio en medios ácidos reductores de la resistencia, de diluidos a moderados. Cuando se requiere una mayor resistencia a ácidos reductores diluidos o a la corrosión intersticial en soluciones de cloruro/haluro calientes (75 ¬ ∞C), deberían considerarse las aleaciones de titanio que contienen bajos niveles de paladio (Pd), rutenio (Ru), níquel (Ni) o mayor de molibdeno (3.5 % peso Mo).†Algunos ejemplos de estas aleaciones de titanio más resistentes a la corrosión son: ASTM Grados 7, 11, 12, 16, 17, 18, 19, 20, 26, 27, 28 y 29.†Estos pequeños aditivos de aleaciones también inhiben la susceptibilidad a las fisuras de corrosión por tensión en aleaciones de titanio de alta resistencia expuestas a salmueras calientes, dulces o ácidas.

Por consiguiente, las aleaciones de titanio ofrecen generalmente una útil resistencia a rangos considerablemente mayores de entornos químicos (es decir, pH y potencial redox) y temperaturas, en comparación con las aleaciones basadas en aceros, aceros inoxidables y aluminio, cobre y níquel.†La Tabla 3 (véase página 5) proporciona una visión general de una gran cantidad de entornos químicos en los cuales las aleaciones de titanio se han utilizado con éxito en las industrias energéticas y de procesos químicos.

Otras propiedades atractivas de las aleaciones de titanio

• Excepcional resistencia a la erosión y la erosión-corrosión
• Alta resistencia a la fatiga en entornos de aire y cloruro
• Alta tenacidad a la fractura en entornos de aire y cloruro
• Bajo módulo de elasticidad
• Bajo coeficiente de expansión térmica
• Alto punto de fusión
• Esencialmente no magnéticas
• Alta resistencia intrínseca al choque
• Alta relación entre resistencia balística y densidad
• No tóxico, no alergénico y totalmente biocompatible
• Muy corto período de semidesintegración radioactiva
• Excelentes propiedades criogénicas
  

La densidad relativamente baja del titanio‚Äô, que es del 56% de la del acero y la mitad de la de las aleaciones de níquel y cobre, significa el doble de volumen de metal por peso y costos de laminación del producto mucho más atractivos, vistos con relación a otros metales desde el punto de vista dimensional.†Junto con una mayor resistencia, esto se traduce obviamente en componentes mucho más livianos o pequeños tanto para estructuras estáticas como dinámicas (motores y fuselajes aeroespaciales, equipos militares transportables) y tensiones más bajas al ser más livianos los componentes giratorios y con movimiento de vaivén (p. ej.: centrífugas, ejes, propulsores, agitadores, piezas de motores
móviles, ventiladores).†El menor peso de los componentes y de las cargas colgantes que se logra con las aleaciones de Ti son también claves para las varillas tubulares de la producción de hidrocarburos y las columnas ascendentes dinámicas en mar abierto, los barcos de la Armada y las estructuras y componentes sumergibles.

Las aleaciones de titanio exhiben un bajo módulo de elasticidad, de aproximadamente la mitad del de los aceros y las aleaciones de níquel.†Esta mayor elasticidad (flexibilidad) significa que las tensiones cíclicas y de curvatura son menores en aplicaciones de deflexión contralada, lo que las hace ideales para resortes, fuelles, implantes corporales, arreglos dentales, columnas ascendentes dinámicas en mar abierto, tuberías de perforación y diversos equipos para deportes. La no reactividad inherente del titanio‚ (no es tóxico, ni alergénico y es totalmente biocompatible) con el cuerpo y los tejidos ha impulsado su amplio uso en implantes corporales, prótesis y artículos de joyería, y en el procesamiento de alimentos. A partir de su combinación única de alta resistencia, bajo módulo y baja densidad, las aleaciones de titanio son intrínsecamente más resistentes a los daños por choques o explosiones (p. ej.: aplicaciones militares) que la mayoría de otros materiales de ingeniería.†Estas aleaciones poseen coeficientes de expansión térmica significativamente menores que los de las aleaciones de aluminio, ferrosas, de níquel y de cobre.†Esta baja expansividad permite una mejor compatibilidad de interfaz con materiales cerámicos y de vidrio, y minimiza los efectos del alabeo y la fatiga durante los ciclos térmicos.

El titanio es esencialmente no magnético (muy ligeramente paramagnético) y es ideal para cuando se debe minimizar la interferencia electromagnética (p. ej.: carcasas de equipos electrónicos, herramientas de sondeo de pozos).†Durante la irradiación, el titanio y sus isótopos exhiben períodos de semidesintegración radioactiva extremadamente cortos, y no se mantienen úcalientes‚ durante más de unas pocas horas.†Su punto de fusión bastante alto es el responsable de la buena resistencia a la ignición y al quemado cuando está en el aire, mientras que su inherente resistencia balística reduce la susceptibilidad a la fusión y al quemado en los impactos balísticos, lo cual lo convierte en una buena opción como material de blindaje de bajo peso para equipos militares. Las aleaciones de titanio alfa y alfa-beta poseen temperaturas de transición de dúctil a frágil muy bajas y han sido, por consiguiente, materiales atractivos para recipientes y componentes criogénicos.

Características de transferencia térmica

El titanio ha sido muy atractivo y bien establecido como material de transferencia térmica en intercambiadores de calor de carcasa y tubos, de placas y bastidores, y de otros tipos para procesos de calentamiento o enfriamiento de fluidos, especialmente en enfriadores de agua de mar. La eficiencia de los intercambiadores de calor puede optimizarse debido a los siguientes atributos beneficiosos del titanio:

• Excepcional resistencia a la corrosión y a la erosión por fluidos
• Película superficial de óxido conductora extremadamente delgada
• Superficie dura, suave y de difícil adherencia
• Superficie que facilita la condensación
• Conductividad térmica razonablemente buena
• Buena resistencia
  

Aunque el titanio no aleado posee una conductividad térmica inherente inferior a la del cobre o el aluminio, su conductividad es aún de aproximadamente 10-20% más alta que la de las aleaciones típicas de acero inoxidable.†Con su buena resistencia y capacidad para soportar completamente la corrosión y la erosión de fluidos correntosos y turbulentos (es decir, cero tolerancia a la corrosión), las paredes de titanio pueden hacerse sustancialmente más delgadas para minimizar la resistencia a la transferencia de calor (y el costo).†La superficie suave, que no se corroe y de difícil adherencia del titanio‚Äô mantiene altos factores de limpieza a lo largo del tiempo. Esta superficie facilita la condensación por gotas de los vapores acuosos, lo que mejora las tasas de condensación en enfriadores y condensadores en comparación con otros metales, como se indica en la figura 6. La capacidad de diseñar y operar con altas tasas de flujo lateral de procesos o agua para enfriamiento o turbulencia mejora aún más la eficacia de transferencia de calor total.

Todos estos atributos permiten reducir el tamaño de los intercambiadores de calor de titanio, los requisitos de materiales y los costos totales del ciclo de vida inicial, lo que hace que los intercambiadores de calor de titanio sean más eficientes y económicos que aquellos diseñados con otras aleaciones comunes de ingeniería.