niobio titanio en polvo es un material intermetálico avanzado con excelentes propiedades superconductoras y alta resistencia. Este artículo ofrece una visión completa del polvo de NbTi, incluida su composición, métodos de producción, propiedades clave, aplicaciones, especificaciones, precios y mucho más.
Visión general del polvo de niobio y titanio
El NbTi es un compuesto intermetálico formado por niobio (Nb) y titanio (Ti). Se considera un material superconductor, capaz de conducir la electricidad con resistencia cero por debajo de una temperatura crítica. El NbTi tiene mayor resistencia que el niobio puro y propiedades superconductoras mejoradas gracias a las adiciones de titanio.
Las propiedades clave que hacen que el NbTi sea útil para diversas aplicaciones de alta tecnología son:
- Alta temperatura crítica
- Alta intensidad crítica del campo magnético
- Buena ductilidad y trabajabilidad
- Excelente resistencia
- Resistencia a la corrosión
- Biocompatibilidad
El polvo de NbTi puede compactarse en diversas formas de producto, desde alambre y cinta hasta varillas y formas especiales. Las aplicaciones clave utilizan la superconductividad para máquinas de resonancia magnética, aceleradores de partículas, reactores de fusión tokamak e imanes de alto campo. La combinación de resistencia y conductividad también es adecuada para dispositivos médicos avanzados, componentes aeroespaciales, detectores de partículas y almacenamiento de energía.
Composición de polvo de titanio niobio
El contenido de niobio suele oscilar entre 40-75% y el resto es titanio. Las composiciones específicas se adaptan para satisfacer las propiedades requeridas y los requisitos de rendimiento de las distintas aplicaciones.
Composición química típica
| Elemento | Peso % |
|---|---|
| Niobio (Nb) | 40-75% |
| Titanio (Ti) | Saldo |
Pueden estar presentes trazas de tántalo, oxígeno, carbono y nitrógeno a niveles de ppm. Los límites específicos dependen de la forma del material y de las especificaciones de la aplicación de uso final.
Etapas
La microestructura del NbTi consiste en una fase de niobio BCC en solución sólida con átomos de titanio distribuidos aleatoriamente por los sitios de la red. Tras un trabajo en frío suficiente y un tratamiento térmico adecuado, el material forma precipitados finamente dispersos de la fase intermetálica NbTi coherente con la matriz de niobio.
Esta mezcla bifásica mejora las propiedades de fijación del flujo, lo que maximiza el rendimiento en aplicaciones superconductoras que requieren una alta densidad de corriente crítica.
Producción de polvo de titanio niobio
Los métodos comerciales de producción de polvo de niobio y titanio incluyen la fusión por inducción al vacío seguida de la atomización con gas o el procesamiento por hidruro y deshidruro. La ruta de producción del polvo, los parámetros y el postprocesado son fundamentales para conseguir la microestructura adecuada.
Fusión por inducción en vacío
El niobio y el titanio de gran pureza se funden por inducción en un crisol de cobre refrigerado por agua en condiciones de vacío. A continuación, la masa fundida se vierte en un sistema de atomización de boquillas en cascada donde se atomiza mediante chorros de gas argón inerte. Esto produce un polvo esférico fino ideal para la compactación en diversas formas.
Los parámetros del proceso de atomización pueden optimizarse para producir polvo con tamaños medios de partícula que oscilan entre 25 micras y 150+ micras. Los polvos más finos ofrecen una mayor superficie de filtración, mientras que los polvos más gruesos mejoran la densidad de compactación de productos como el alambre.
Hidruro-Dehidruro
En este proceso, se hidrura un lingote de NbTi, lo que lo fragiliza para triturarlo y convertirlo en polvo. A continuación, el polvo de hidruro resultante se deshidrata al vacío, dejando un polvo fino de NbTi apto para la consolidación.
Los polvos de hidruro tienen una forma más angulosa e irregular, pero fluyen bien para el prensado y ofrecen una gran pureza química. Este proceso también puede utilizarse para reciclar subproductos de chatarra de NbTi y convertirlos en materia prima en polvo.
Postprocesado
En algunos casos, antes de la compactación, se aplica un tratamiento secundario del polvo bruto, como la molienda por chorro para reducir la distribución o el recocido esférico para mejorar la morfología. La sinterización al vacío a alta temperatura, hasta 2000 °C, garantiza un material totalmente denso antes del trabajo mecánico.
Propiedades de niobio titanio en polvo
El NbTi posee una excelente conductividad, propiedades magnéticas, resistencia y trabajabilidad gracias a su exclusiva composición bifásica.
Propiedades superconductoras
El NbTi presenta superconductividad por debajo de una temperatura crítica que depende de la composición exacta de la aleación, pero que suele rondar los 10K. Esto lo hace muy adecuado para aplicaciones refrigeradas por helio líquido.
Se clasifica como superconductor de tipo II con propiedades de estado mixto. Gracias a ello, el NbTi posee los campos magnéticos críticos y la densidad de corriente crítica más elevados entre los superconductores prácticos cercanos al cero absoluto.
Propiedades superconductoras clave
| Propiedad | Valores |
|---|---|
| Temperatura crítica (Tc) | 9 - 11 K |
| Campo magnético crítico (Hc2) | 12 - 15 Tesla |
| Densidad de corriente crítica (Jc) | 3000 A/mm2 @ 5T, 4.2K |
Propiedades mecánicas
Además de la capacidad superconductora, el NbTi tiene una resistencia relativamente alta gracias a la mezcla bifásica de niobio-NbTi. Las propiedades exactas dependen del historial de procesamiento.
Propiedades mecánicas a temperatura ambiente
| Propiedad | Valores |
|---|---|
| Densidad | 6,2 - 6,5 g/cc |
| Resistencia a la tracción | 500 - 800 MPa |
| Límite elástico (0,2% offset) | 400 - 600 MPa |
| Módulo de elasticidad | 52 - 69 GPa |
| Alargamiento | 10 – 25% |
| Dureza | 150 - 300 HV |
Conserva una ductilidad moderada para trabajar en alambre o cintas, pero tiene una resistencia significativamente mayor que los superconductores puros como el niobio-titanio.
El tratamiento térmico adecuado, como el envejecimiento a 400 ̊C, se utiliza para maximizar la formación de precipitados finos para obtener la máxima resistencia y la fijación del flujo para mantener la conductividad a través de los filamentos.
Propiedades físicas
Temperatura ambiente Propiedades físicas
| Propiedad | Valores |
|---|---|
| Resistividad eléctrica | 15 - 25 μΩ-cm |
| Densidad | 6,2 - 6,5 g/cm3 |
| Punto de fusión | 2350 - 2500°C |
| Conductividad térmica | 4-6 W/mK |
| Capacidad calorífica específica | 265 J/kgK |
Aplicaciones de polvo de titanio niobio
Las principales aplicaciones de los polvos de niobio y titanio se dividen en dos categorías principales:
- Aplicaciones de los imanes superconductores
- Implantes y dispositivos médicos avanzados
Pero se están investigando usos en aceleradores de partículas, energía de fusión, detectores y aplicaciones aeroespaciales especiales.
Imanes superconductores
- Bobinas de máquinas de IRM
- Imanes de investigación de alto campo ≥10T
- Aceleradores de partículas - transporte/focalización de haces
- Electroimanes del tokamak de fusión
- Separación magnética
- Inductores magnéticos de almacenamiento de energía
Para estas aplicaciones, el alambre y las cintas de NbTi se utilizan para fabricar potentes electroimanes refrigerados por helio líquido a temperaturas inferiores a 10K para inducir supercorrientes persistentes de alta densidad con campos de 12-15+ Tesla.
Aplicaciones médicas
- Arcos de ortodoncia
- Implantes dentales
- Placas de fijación ósea
- Stents cardiovasculares
- Implantes quirúrgicos (no magnéticos)
Su excelente resistencia, ductilidad y biocompatibilidad, unidas a su carácter no magnético y no interactivo, hacen que el NbTi sea adecuado para dispositivos de osteosíntesis, así como para endoprótesis cardiológicas avanzadas por su menor riesgo de inflamación o rechazo.
La investigación también estudia el NbTi para tubos de injertos vasculares, barras de corrección de la columna vertebral y electrodos de estimulación eléctrica aprovechando sus propiedades conductoras.
niobio titanio en polvo Especificaciones
Los productos de polvo y alambre de NbTi cumplen diversas especificaciones formales de organizaciones como ASTM International, la Farmacopea Europea y normas internas de fabricantes y aplicaciones.
Especificaciones del polvo
Métricas clave de la calidad del polvo:
- Distribución granulométrica
- Morfología del polvo - esférica frente a angular
- Densidad aparente y densidad de toma
- Niveles de pureza - O2, H2, N2
- Propiedades superconductoras
ASTM International ha estandarizado métodos de ensayo para medir estas características del polvo. Por ejemplo:
| Estándar | Título | Método de ensayo |
|---|---|---|
| ASTM B939 | Método de ensayo estándar para la resistencia al aplastamiento radial de materiales estructurales y de cojinetes pulvimetalúrgicos (PM) | Compresibilidad / retención de la forma de las partículas de polvo |
| ASTM B243 | Terminología estándar de la pulvimetalurgia | Definiciones de términos habituales en pulvimetalurgia |
Especificaciones del cable
Las métricas clave del alambre de NbTi incluyen:
- Diámetro del hilo y tolerancia
- Niveles de impurezas intersticiales muy bajos
- Relación de resistividad residual (RRR)
- Temperatura crítica
- Campo magnético crítico
- Densidad de corriente crítica
El alambre superconductor se fabrica conforme a estrictas normas de limpieza para aplicaciones aeroespaciales y militares definidas en las especificaciones SAE-AMS y militares de EE.UU. que abarcan la composición, los límites de contaminación, los procedimientos de ensayo y los requisitos de garantía de calidad.
Por ejemplo, AMS-WWK-5846H cubre las aleaciones de niobio resistentes a la corrosión y al calor en forma de barras, palanquillas, piezas forjadas, chapas, tiras y alambre.
Proveedores y precios
El polvo y el alambre de titanio niobio sólo los fabrican unos pocos proveedores especializados, dado el nicho de aplicaciones de alta tecnología y el equipo de producción especializado que requieren.
Principales proveedores de polvo de NbTi
- Wah Chang (EE.UU.)
- Industria Ningxia Orient Tantalum (China)
- HC Starck (Alemania)
- Phelly Materials (Países Bajos)
Precios
Como material intermetálico pulverizado especial, niobio titanio en polvo exige un precio superior al de los metales comunes. El coste por 100 g puede oscilar entre $250 y $500+, dependiendo de la pureza y las características de las partículas.
La chatarra y el polvo de NbTi reciclado se comercializan con descuentos de 40% o más en comparación con los niveles de precios del polvo virgen.
En formas alternativas, como el alambre, una bobina de 1 kg de alambre superconductor de NbTi se vende por entre $3.000 y $5.000+, según el número de filamentos y el procesamiento.
Comparaciones con otros materiales
Niobio Titanio vs Niobio Estaño
El niobio-estaño (Nb3Sn) es otro superconductor común que compite con el NbTi dependiendo de la aplicación. En comparación con el NbTi , el Nb3Sn tiene:
Ventajas
- 50% mayor intensidad de campo magnético crítico
- Capacidad de mantener la superconductividad a temperaturas más elevadas
Desventajas
- Fabricación más compleja
- Más quebradizo con menor trabajabilidad
- Más caro (contiene estaño caro)
Esto hace que el Nb3Sn sea más adecuado para imanes de campo ultraalto que justifican su mayor coste, mientras que el NbTi ofrece el mejor rendimiento integral para aplicaciones generales por debajo de una intensidad de campo de 12T.
Niobio Titanio vs Niobio Circonio
La sustitución de parte del titanio de las aleaciones de NbTi por circonio crea superconductores de NbZr con una ductilidad y trabajabilidad ligeramente mejores. Las principales diferencias respecto a los grados estándar de NbTi son:
Ventajas del NbZr
- Mayor ductilidad - mejor para trefilados complejos
- Mayor trabajabilidad a bajas temperaturas
- Menos centros de fijación del flujo magnético
Ventajas del NbTi
- Menor coste de los materiales
- Mayor estabilidad a la temperatura
- Mayor densidad de corriente crítica
Así pues, el NbZr compite de nuevo por las bobinas magnéticas especializadas de alto campo que superan los límites del rendimiento, mientras que el NbTi ofrece la mejor economía y unas propiedades comerciales bien probadas que satisfacen la mayoría de las necesidades médicas o industriales.
Limitaciones y riesgos
A pesar de su alto rendimiento como superconductor, las limitaciones del uso de niobio-titanio incluyen:
Coste
- Material especializado caro que cuesta más de $250 por 100g en forma de polvo. Esto limita las aplicaciones a industrias de alto valor.
Fragilidad
- Propenso al agrietamiento en caso de sobreesfuerzo debido a la presencia de fases intermetálicas.
- Recocido necesario para conservar la ductilidad durante la fabricación
Oxidación
- El polvo y el alambre se oxidan fácilmente por encima de 400°C
- El rendimiento disminuye en condiciones/ácidos oxidantes
Límites del campo magnético
- El campo crítico alcanza su máximo en torno a 12-15 T, lo que limita la intensidad de campo alcanzable.
- Construcción de alambre multifilamento muy fino necesaria para reducir las pérdidas por histéresis en funcionamiento con CA.
La producción, manipulación y compactación adecuadas del polvo, así como las prácticas de trefilado, mitigan estos problemas para obtener un rendimiento fiable.
Outlook
Se prevé que la demanda mundial de niobio-titanio crezca a un ritmo constante de 6-8% anuales, impulsada principalmente por la producción y modernización de máquinas de resonancia magnética, pero también por la expansión de los colisionadores de partículas para investigación.
También existe potencial de crecimiento en la separación magnética para aplicaciones mineras y mejoras en los superconductores de alta temperatura para la próxima generación de energía de fusión compacta, si la tecnología sigue avanzando hacia la viabilidad comercial.
Con altas barreras de entrada, los proveedores de NbTi existentes están bien posicionados para beneficiarse del aumento del consumo en los sectores médico, científico y, potencialmente, energético en el futuro. El reciclaje de chatarra de NbTi también ayuda a complementar la producción de polvo primario.
Preguntas frecuentes
¿Para qué se utiliza el polvo de niobio y titanio?
- Se utiliza principalmente para fabricar alambre y cintas superconductores para imanes de resonancia magnética de alto campo, aceleradores de partículas, reactores de fusión, imanes industriales especiales, etc. También se utiliza para implantes y dispositivos médicos debido a su biocompatibilidad, resistencia y propiedades no magnéticas.
¿Cuáles son los porcentajes típicos de niobio y titanio en el NbTi?
- El contenido en peso de niobio oscila entre 40-75% y el titanio representa el resto. Las composiciones reales varían en función de la aplicación para optimizar las propiedades, por ejemplo, un mayor contenido de Nb para una mayor estabilidad térmica.
¿Cuál es el método de producción del polvo de NbTi?
- Las principales vías de producción son la atomización con gas de lingotes fundidos por inducción o el tratamiento con hidruros y deshidruros para triturar y pulverizar la chatarra o los lingotes y convertirlos en polvo. Ambos métodos producen la microestructura de grano pequeño necesaria.
¿Cuál es la temperatura crítica del NbTi?
- La temperatura crítica a la que el NbTi pasa al estado superconductor oscila entre 9 y 10,5 K, dependiendo de la composición exacta. Esto lo hace idóneo para aplicaciones de refrigeración con helio líquido.
¿Cuáles son otros superconductores comunes basados en el niobio?
- El NbTi es el más común, pero el niobio-estaño (Nb3Sn) ofrece mayores capacidades de intensidad de campo para imanes especializados. Menos común es el niobio-circonio (NbZr), con algunas ventajas de ductilidad pero menor conductividad global que el NbTi a temperaturas cercanas al cero absoluto.
¿Es el niobio-titanio un superconductor de tipo I o de tipo II?
- El NbTi está clasificado como superconductor de tipo II, lo que significa que presenta estados normales y superconductores en paralelo en un campo magnético aplicado entre su primera y segunda intensidades de campo críticas. Esto da lugar a una alta densidad de corriente crítica.
¿Es preocupante la degradación del NbTi?
- El deterioro del rendimiento debido a la oxidación puede ser un problema por encima de los 400°C. Mantener una atmósfera inerte protectora es importante durante el procesamiento del polvo y la fabricación del alambre. Aislar el alambre de NbTi en una matriz epoxi ayuda a evitar la oxidación durante el servicio.
