El titanio es un metal de transición de color gris que se caracteriza por su gran dureza y por su baja densidad (4,5 g cm–3), ligeramente superior a la del aluminio y casi la mitad que la de los aceros. Además, es uno de los metales más resistente a la corrosión y a la oxidación, con una gran estabilidad química que le permite soportar condiciones extremas de humedad y salinidad, e incluso no es muy susceptible a ataques con agua regia o cloro. No obstante, hay que destacar que a altas temperaturas no es tan inerte y su reactividad química se incrementa drásticamente. Es paramagnético y presenta una conductividad eléctrica relativamente baja comparada con la de otros metales.
El elemento fue descubierto a finales del siglo XVIII y abunda en depósitos minerales, principalmente en forma de óxidos como el rutilo y la ilmenita. Aunque existen más óxidos minerales que contienen titanio, estas dos son las únicas menas de interés económico. El titanio metálico se extrae por el llamado método de Kroll. Dicho proceso consta de dos partes. En la primera se parte del dióxido de titanio de los minerales, el cual se somete a un tratamiento de cloración en presencia de carbón para obtener tetracloruro de titanio, que se purifica posteriormente por destilación fraccionada. En un segundo paso el tetracloruro de titanio es reducido en presencia de magnesio o sodio dando lugar al titanio metálico. Estas son las correspondientes reacciones:
TiO2 + 2 Cl2 + 2 C ⟶ TiCl4 + 2 CO [4.6]
TiCl4 + 2 Mg ⟶ Ti + 2 MgCl2 [4.7]
El compuesto más común del titanio es el TiO2, utilizado para la fotocatálisis y la fabricación de pigmentos de color blanco (apartado 5.8). Otros compuestos relevantes son el ya mencionado tetracloruro de titanio y el tricloruro de titanio. Ambos son importantes catalizadores en la industria química.
Desde el punto de vista cristalográfico, el titanio guarda analogías con el hierro. Existe una fase más compacta a baja temperatura, α-Ti, en este caso con estructura hexagonal compacta que es estable hasta los 882 oC, temperatura a la que se transforma en una fase cúbica centrada en el interior (BCC), o β-Ti, que funde a unos 1670 oC. Al igual que ocurre con el hierro en los aceros, la fase de alta temperatura es la más propicia a las deformaciones plásticas y por tanto la más fácil de trabajar mecánicamente. Curiosamente, cuando el titanio se alea con otros metales la transformación entre las fases α y β varía sustancialmente, existiendo elementos que tienden a favorecer la prevalencia de una de las dos fases.
Para seguir con la analogía de los aceros, cabe destacar que en el titanio también existe una fase martensítica equivalente a la de los aceros que se obtiene mediante un tratamiento térmico de temple similar. Por otro lado, el titanio forma disoluciones sólidas estables con muchos elementos de aleación como el aluminio, por lo que, además de los tratamientos de temple, también admite tratamientos térmicos de envejecimiento o maduración como los que vimos para el aluminio, siendo susceptible de endurecimiento por precipitación. Esta circunstancia hace que exista una gran variedad de aleaciones posibles de titanio con metales como el aluminio, el estaño, el vanadio y otros, las cuales pueden someterse a distintos tratamientos térmicos.
La aleación comercial de titanio más puro se vende con una proporción del 99,1% y posee ya de por sí unas propiedades mecánicas excelentes, con una resistencia a la tracción de casi 500 MPa, es decir, en el rango de los aceros de uso común. Las aleaciones comerciales típicas de titanio como la Ti-8Al-1Mo-1V o la Ti-6Al-4V[1], que son muy empleadas, alcanzan resistencias a la tracción de unos 1000 MPa. A todo esto, hay que recordar que la densidad del titanio es mucho menor que la del acero, tratándose del elemento metálico que posee la mayor proporción de dureza-densidad o resistencia específica. Hay que destacar también que, pese a su elevada resistencia, el titanio presenta un módulo de Young de tan solo 120 GPa, por lo que no se trata de un material muy rígido, sino bastante flexible.
Pese a las excelentes propiedades mecánicas antes señaladas y a su gran estabilidad química (al menos por debajo de 400 oC), al ser el titanio un metal caro no suele ser la opción más habitual para muchas aplicaciones, frente a los aceros o lo aluminios, que resultan más baratos y cuyas propiedades son en la mayoría de los casos aceptables. No obstante, hay algunas aplicaciones en las que el titanio resulta tan adecuado que se ha terminado por imponer. En esta sección comentaremos dos de ellas: su uso como biomaterial en implantes médicos y como material aeroespacial. Veremos cómo en ambos casos la idoneidad del titanio acaba justificando su elección pese al alto costo.
El titanio tiene múltiples aplicaciones en medicina, destacando su uso en instrumental quirúrgico e implantes debido en gran medida a la combinación de sus buenas propiedades mecánicas y a su gran biocompatibilidad. Su excelente estabilidad química permite que pueda soportar el ambiente hostil del interior del cuerpo humano mientras que su baja rigidez hace que pueda integrarse con los huesos cuando estos sufren lesiones o están dañados. En la figura 2.8 podemos ver una selección de distintos implantes quirúrgicos de titanio. La mayoría de estos implantes se fabrican con aleaciones comerciales, sobre todo la ya comentada Ti-6Al-4V.
El titanio comenzó a usarse como biomaterial por primera vez para implantes dentales y posteriormente se generalizó su uso para otros tipos de implantes, muchos de ellos aprovechando su capacidad inherente de integración en estructuras óseas, lo que en medicina se conoce como osteointegración. En la figura 2.8 vemos varios ejemplos más, como jaulas expansibles usadas para tratar ciertas lesiones vertebrales, placas para reconstrucciones óseas o prótesis de cadera de varios tipos. Estos implantes pueden llegar a tener una vida útil de hasta treinta años en el mejor de los casos y, en general, ayudan a repartir las cargas entre los huesos y el implante preservando la integridad de los huesos dañados y evitando en cierta medida su degradación. No obstante, el titanio sigue siendo mucho menos flexible que los huesos, por lo que pueden aparecer problemas en huesos sanos próximos al implante. Una ventaja importante del titanio es que, al no ser un metal ferromagnético, los pacientes con prótesis de titanio pueden ser examinados con seguridad mediante imágenes por resonancia magnética.
La otra gran aplicación del titanio está relacionada con las industrias aeronáutica y aeroespacial. Es sabido que estas industrias son muy peculiares y a menudo requieren soluciones muy específicas para sus problemas, que no son muy comunes en el resto[3]. En particular, el titanio tiene el importante atractivo de que, gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y su baja densidad, su empleo permite en muchas ocasiones una reducción de peso significativa, y esto, en un aparato que va a volar o ponerse en órbita, puede suponer algo crucial, incluido un ahorro económico pese al alto precio del material de partida.
Hay un ejemplo especialmente destacado. Se trata de la construcción en la década de 1960, por parte del Estados Unidos, de un avión supersónico militar de reconocimiento que ha sido el avión comercial más rápido de la historia. Se trata del Lockheed SR-71, apodado “Blackbird”, que estaba diseñado para volar a 3170 km/h, o, lo que es lo mismo, a mach 3, el triple de la velocidad del sonido (figura 2.9). Estaba hecho casi por completo de titanio, en una proporción de más del 90%, incluyendo los motores, la estructura y el fuselaje. Además, resulta especialmente llamativo que el titanio se importó de la Unión Soviética en uno de los momentos más delicados de la Guerra Fría, recurriéndose a todo tipo de estratagemas para ocultarle al gobierno soviético el propósito real de la compra del metal. Sea como fuere, este modelo de avión no cumplió las expectativas y tras un periodo en activo relativamente breve de menos de cincuenta años se retiraron las pocas unidades que quedaban en funcionamiento (operadas por la NASA) en 1999.
Aunque el ejemplo del Lockheed SR-71 puede resultar un tanto singular, ilustra perfectamente las ventajas del titanio como material aeroespacial. De hecho, los aviones comerciales actuales contienen entre un 35% y un 50% de peso de titanio, para aprovechar fundamentalmente la combinación de su alta resistencia, su gran flexibilidad y su baja densidad. Por ello se hace uso de él en distintas partes del avión, sobre todo del fuselaje y de la estructura, para darles estabilidad extra sin incrementar el peso.
[1] En este contexto los números indican el tanto por ciento en peso del contenido de cada elemento señalado.
[2] Las imágenes han sido recopiladas de D. M. Brunette et al (eds.). Titanium in Medicine. Capítulos 21, 23, 24 y 28. Springer (2001).
[3] En lo que respecta a los materiales, hay un libro excelente y muy riguroso que, además de tener el capítulo 4 íntegramente dedicado al titanio, da una visión general muy amplia de los metales más usados en la industria aeroespacial. Se trata de S. Gialanella y A. Malandruccolo. Aerospace Alloys. Springer (2020).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
