¿Cuál es el punto de fusión del titanio en grados centígrados?

El titanio puro se funde a 1.668 °C (3.034 °F; 1.941 K) bajo presión estándar.

Por qué es importante el punto de fusión

La temperatura de fusión establece un límite superior duro para el procesamiento térmico, informa sobre la selección de hornos y fundiciones, y controla qué métodos de conformado o unión son viables para un determinado producto de titanio. El rendimiento a alta temperatura, la estrategia de fabricación y el coste dependen del comportamiento de fusión del elemento. Para la práctica de la ingeniería, el punto de fusión de un solo número debe utilizarse junto con los rangos solidus/liquidus de las aleaciones y con las temperaturas de transformación de fase.

Antecedentes atómicos y fases cristalinas

El titanio (número atómico 22) pertenece al grupo 4 de la tabla periódica. A temperatura ambiente adopta una red hexagonal de empaquetamiento cerrado (denominada comúnmente fase α). Cuando se calienta por encima de un umbral superior denominado beta transusse transforma en una fase β cúbica centrada en el cuerpo. Esta transformación influye en el comportamiento mecánico y en las características de fusión, ya que la disposición de la red, las velocidades de difusión y la solubilidad de los elementos de aleación difieren notablemente entre α y β. Las temperaturas típicas de transus β para las calidades comercialmente puras se sitúan en torno a los 880-970 °C, mientras que aleaciones específicas pueden mostrar puntos de transición más altos o más bajos.

Valor(es) estándar y métodos de medición

La mayoría de las bases de datos autorizadas citan la temperatura de fusión del titanio en 1.668 °C (1.941 K; 3.034 °F). Ese número es el consenso de los datos termoquímicos de referencia y las compilaciones de normas nacionales; es el valor utilizado para las tablas de referencia estándar. Las principales mediciones termoquímicas primarias y las recopilaciones JANAF/NIST sustentan esta cifra. Históricamente, los métodos de medición incluyen la pirometría óptica durante las fases de fusión a alta temperatura, el análisis térmico diferencial y los métodos calorimétricos; los estudios modernos también utilizan correcciones de radiancia-temperatura y una cuidadosa calibración de la emisividad para reducir el error sistemático. El NIST WebBook y los estudios termofísicos revisados por pares resumen estas determinaciones.

Comportamiento sólido, líquido y de aleación

Los elementos puros se funden a una única temperatura. Sin embargo, en la práctica, las aleaciones de ingeniería se funden en un intervalo de temperaturas: solidus (donde comienza la fusión) a liquidus (donde se completa la fusión). Para la aleación aeroespacial común Ti-6Al-4V (Grado 5), los valores de solidus cercanos a 1.604 °C (2.920 °F) y liquidus cerca de 1.660 °C (3.020 °F) otras aleaciones y condiciones de molienda producen rangos ligeramente diferentes. Por lo tanto, los diseñadores deben utilizar los datos de solidus/liquidus específicos de la aleación en lugar del punto de fusión del elemento puro a la hora de especificar los parámetros de fundición, precalentamiento de soldadura o fabricación aditiva.

Beta transus y transformaciones a alta temperatura

En beta transus marca la transición α→β al calentarse. Su valor exacto depende de la composición y del tratamiento térmico; las calidades de titanio comercialmente puras suelen tener transus beta cerca de. 880-950 °C, mientras que los sistemas estabilizados con aluminio u otras aleaciones desplazan ese umbral. La fase β tiene mayor simetría y un comportamiento de soluto diferente, por lo que las tasas de crecimiento de grano, la recristalización y las microestructuras de solidificación posteriores dependen de si el procesamiento cruza el transus. Un control adecuado de los ciclos de calentamiento/enfriamiento garantiza las microestructuras deseadas y evita el engrosamiento o la fragilización no deseados.

Propiedades termofísicas en fusión y cerca de la fusión

Números clave útiles para los cálculos térmicos:

• Punto de fusión (Ti puro): 1.668 °C (1.941 K).

• Calor de fusión (aprox.): ~14,15 kJ-mol-¹ (compilaciones JANAF/NIST publicadas).

• Densidad del líquido a p.m: típicamente ~4,1 g-cm-³ (comparado con ~4,5 g-cm-³ sólido a 20 °C). Estos valores son importantes para las predicciones de fundición y contracción.

Utilice estas cifras en modelos de balance energético para hornos de fusión, cálculos de mantenimiento por inducción o estimaciones de entrada de calor por láser.

Influencia de las impurezas y la aleación en el comportamiento de fusión

Pequeñas cantidades de elementos como el oxígeno, el nitrógeno, el carbono, el hierro o el aluminio modifican el comportamiento de la fusión de dos maneras:

• Disminución/elevación del intervalo de fusión del soluto: Ciertos solutos deprimen el liquidus/solidus mientras que otros amplían el intervalo. Por ejemplo, el V y el Al desplazan la estabilidad de fase, lo que influye en la ventana de fusión práctica del Ti-6Al-4V.

• Formación de eutécticos de baja fusión: La contaminación por hierro o cobre puede crear bolsas eutécticas de pequeño volumen que funden a menor temperatura, con el consiguiente riesgo de fusión localizada durante los ciclos térmicos. Por lo tanto, el control químico de la materia prima y la manipulación con bajo contenido de oxígeno son fundamentales durante la fusión y la soldadura.

Implicaciones prácticas: la fusión y refundición deben realizarse en atmósferas controladas y con una química de carga estricta para evitar fases de baja fusión no deseadas.

Métodos industriales de fusión y refinado

Dado que el titanio reacciona fuertemente con el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno a temperaturas elevadas, la producción comercial y la refundición adoptan entornos protectores:

• Refusión por arco en vacío (VAR) y fusión por haz de electrones (EBM) se utilizan ampliamente para refinar y producir lingotes con bajos gases disueltos y composición controlada.

• Fusión por plasma y frío hogar derritiéndose también se utilizan para el control de la segregación y la eliminación de inclusiones.

• Procesos Kroll y Hunter producir titanio esponjoso antes de fundirlo; a continuación, se utiliza la fusión por inducción en vacío (VIM) o VAR para fabricar lingotes.

Cada método afecta a la población de inclusiones, el contenido de gas y la homogeneidad, factores todos ellos que influyen en el comportamiento de la fusión en el tratamiento térmico y la fabricación posteriores.

Práctica de referencia: los hornos y equipos de fusión deben incluir niveles de vacío, materiales de crisol y regímenes de blindaje diseñados para la química del titanio.

Controles de procesos relacionados con la soldadura, la fabricación aditiva y la fusión

La soldadura y la fabricación aditiva basada en láser dependen de un control preciso del baño de fusión:

• Blindaje: El gas inerte (argón o helio) o el vacío son obligatorios para evitar la captación de oxígeno/nitrógeno y la fragilidad de las fases estabilizadas intersticiales.

• Entrada de calor: La potencia del láser, la velocidad del haz y las estrategias de capa en la fusión de lecho de polvo deben ajustarse para producir charcos de fusión que fusionen completamente el polvo/la pista pero eviten el keyholing o la vaporización excesiva.

• Microestructura de solidificación: El enfriamiento rápido en AM tiende a producir α′ martensítica fina en muchas aleaciones de Ti; los tratamientos térmicos posteriores al proceso pueden templar y aliviar las tensiones residuales.

Los datos de solidus/liquidus para la aleación específica deben guiar las ventanas de proceso para garantizar una fusión consistente sin una evaporación excesiva de elementos de aleación volátiles (por ejemplo, Al en Ti-6Al-4V).

Perspectiva comparativa (cuadro)

A continuación se muestra una comparación compacta de las temperaturas de fusión del titanio y de varios metales de ingeniería de uso común para situar el titanio en un contexto de selección de materiales.

Utilice esta tabla para sopesar el peso, la capacidad a altas temperaturas y el coste.

Incertidumbre de medición, calibración y buenas prácticas

Las mediciones de fusión a alta temperatura requieren:

• Pirometría calibrada o termometría de contacto vinculados a normas de punto fijo.

• Corrección de la emisividad cuando se utilizan métodos ópticos; los métodos radiantes deben tener en cuenta los cambios de emisividad dependientes de la longitud de onda en las superficies metálicas fundidas.

• Geometría de muestra repetible y control de la atmósfera para evitar los óxidos superficiales que alteran la temperatura aparente de irradiación.

El NIST y los estudios de mediciones térmicas revisados por expertos analizan las correcciones de radiancia-temperatura que redujeron las desviaciones sistemáticas en los puntos de fusión notificados. Para trabajos rigurosos, consulte los conjuntos de datos de JANAF/NIST y los informes de mediciones termofísicas recientes.

Tablas prácticas

Tabla A - Números clave del titanio puro

Tabla B - Sólido/líquido de aleación representativo (rangos típicos)

Tabla C - Temperaturas de fase comunes (ilustrativas)

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es el punto de fusión del titanio comercialmente puro?
El titanio puro suele fundirse a 1.668 °C (3.034 °F). Para trabajos de ingeniería, consultar los datos de solidus/liquidus específicos de la aleación.

2. ¿Funde el Ti-6Al-4V a la misma temperatura que el titanio puro?
No. Ti-6Al-4V muestra un intervalo de fusión: solidus cerca de 1,604 °C y liquidus cerca de 1,660 °C; las ventanas de proceso deben utilizar datos de aleación.

3. ¿Cómo modifica la fusión la contaminación por oxígeno y nitrógeno?
No modifican sustancialmente el punto de fusión del elemento puro, pero provocan fragilización y pueden favorecer la aparición de intermetálicos de baja fusión con impurezas. Controlar la atmósfera y la pureza de la materia prima para evitar la fusión localizada o las zonas débiles.

4. ¿Qué método de fusión produce el lingote de titanio más limpio?
La refundición por arco en vacío (VAR) y la fusión por haz de electrones (EBM) son estándar para lingotes con bajo contenido en gas e inclusiones. La fusión en frío también ayuda a eliminar las inclusiones de alta densidad.

5. ¿Es reactivo el titanio cuando está fundido?
Sí. El titanio fundido reacciona fácilmente con el oxígeno, el nitrógeno y el carbono; la fusión debe realizarse al vacío o con gas inerte para evitar la contaminación.

6. ¿Cuál es el calor de fusión del titanio y por qué es importante?
Aproximadamente 14,15 kJ-mol-¹. Esta cifra se utiliza en los cálculos energéticos para el dimensionamiento de hornos y los balances térmicos de láser/soldadura.

7. ¿Pueden utilizarse hornos estándar de acero inoxidable para fundir titanio?
Sólo con un diseño cuidadoso: se requieren revestimientos refractarios y atmósferas libres de oxígeno. Los hornos abiertos o de aire simple no son adecuados.

8. ¿Cómo se relaciona el transus beta con la fusión?
El transus beta está muy por debajo del punto de fusión, pero determina el comportamiento mecánico a alta temperatura y la estructura del grano, que influyen en los resultados de la fundición y la soldadura.

9. ¿Los procesos de fabricación aditiva funden completamente los polvos de titanio?
Muchos procesos de AM producen piscinas de fusión completas cuando los parámetros son correctos; la fusión en lecho de polvo (láser o haz de electrones) suele lograr la fusión completa, pero requiere un control para evitar la porosidad y la evaporación de los constituyentes de bajo punto de ebullición.

10. ¿Dónde puedo encontrar datos termofísicos fiables sobre el titanio?
Las fuentes primarias incluyen las tablas JANAF del NIST, los manuales de los laboratorios nacionales y las hojas de datos de materiales de ASM/MatWeb. Utilícelas para validar los cálculos de ingeniería.

Lo que dice la bibliografía sobre la precisión de las mediciones

Los experimentos de radiancia-temperatura de alta calidad han producido temperaturas de fusión dentro de unos pocos kelvin del valor de consenso; la corrección cuidadosa de la emisividad y la calibración con estándares de punto fijo reducen la dispersión. Los informes y recopilaciones de mediciones termofísicas recientes (NIST/JANAF; documentos de mediciones revisados por expertos) son el punto de partida recomendado para el trabajo de precisión.

Resumen final

El punto de fusión del titanio puro en 1,668 °C es un dato termofísico fundamental. Para la ingeniería aplicada, ese número debe utilizarse junto con los datos de solidus/liquidus de la aleación, las temperaturas beta-transus y las características termoquímicas (calor de fusión, cambio de densidad) para establecer ventanas de procesamiento, seleccionar equipos de fusión y diseñar procesos de unión o aditivos. Utilice bases de datos autorizadas (NIST, ASM/MatWeb, estudios termofísicos revisados por expertos) cuando necesite cifras exactas para simulaciones o adquisiciones.

Referencias autorizadas

• NIST Chemistry WebBook - Titanio (datos termoquímicos y tablas JANAF)
• PubChem / NCBI - Resumen del elemento titanio (punto de fusión y datos físicos)
• ASM / MatWeb - Fichas técnicas de grados de titanio (fusión típica, solidus/liquidus, beta transus)
• NIST Journal of Research - Mediciones de la temperatura de irradiación y estudios del punto de fusión del titanio
• Mediciones termofísicas revisadas por expertos (artículo de acceso abierto sobre propiedades termofísicas de alta precisión)