Tántalo puro o aleación de tántalo y wolframio

¿Qué es el tántalo de alta pureza?

Por tántalo de gran pureza se entiende un metal de Ta con una pureza normal del 99,9%, o 3N, y para aplicaciones críticas, incluso superior, hasta el 99,99% o más (4N). En este plano de refinamiento, el tántalo demuestra una combinación de propiedades que casi ningún otro metal puede ofrecer. Es químicamente inerte, presenta una excelente resistencia a la corrosión, además de ser biocompatible; puede funcionar a temperaturas muy elevadas sin reaccionar con su entorno.

Una de las propiedades más características del tántalo de gran pureza es su resistencia a los ataques químicos. Al exponerse al aire o a la humedad, se forma sobre el tántalo una fina y densa capa de óxido que actúa como barrera natural. Esta película pasiva es extremadamente estable, lo que hace posible que el tántalo resista ácidos agresivos como el ácido clorhídrico, el ácido nítrico e incluso el agua regia en muchas condiciones. Por lo tanto, el tántalo de gran pureza encuentra aplicaciones en equipos de procesamiento químico, intercambiadores de calor y recipientes de reacción en cantidades en las que no se puede aceptar la contaminación o la corrosión.

Mecánicamente, el tántalo de gran pureza es relativamente blando y especialmente dúctil. Se puede laminar en finas láminas, estirar en finos alambres o moldear en formas complejas sin que se agriete. Su excelente conformabilidad es una de las razones por las que el tántalo se utiliza en implantes médicos y herramientas de fabricación de semiconductores, donde es necesaria una conformación precisa; su ductilidad también simplifica considerablemente la soldadura y la fabricación en comparación con la mayoría de los metales refractarios.

El tántalo de gran pureza presenta una excelente trabajabilidad a altas temperaturas, con un punto de fusión superior a 3000 °C. Sin embargo, aunque conserva la estabilidad al calor elevado, su resistencia mecánica disminuye a medida que aumentan la temperatura y la tensión aplicada. El tántalo puro puede experimentar fluencia bajo cargas térmicas prolongadas, lo que significa que puede deformarse lentamente con el tiempo. Esta limitación es relevante para aplicaciones que requieren esfuerzos mecánicos sostenidos a altas temperaturas.

En otras palabras, el tántalo de gran pureza es un material de elección cuando la resistencia a la corrosión, la limpieza y la biocompatibilidad son más importantes que una resistencia mecánica excesiva.

¿Y las aleaciones de tántalo y wolframio?

La aleación de tántalo y w olframio se produjo para intentar superar las principales deficiencias mecánicas del tántalo puro sin perder sus ventajas intrínsecas. La adición de tungsteno, normalmente entre el 2,5% y el 10% en peso, lo refuerza con una resistencia drásticamente mayor, una estabilidad térmica mejorada y una resistencia mucho mayor a la fluencia a temperaturas elevadas.

El wolframio es uno de los metales más densos y fundentes que existen. Cuando se combina con tántalo, los átomos de tungsteno se disuelven en la red de tántalo e impiden el movimiento de las dislocaciones dentro de la estructura metálica. Este efecto de refuerzo de la solución sólida aumenta el límite elástico y la resistencia a la tracción a temperaturas más altas, cuando el tántalo puro empezaría a ablandarse.

Una de las principales ventajas de las aleaciones de tántalo y wolframio sobre el tántalo sin alear es su resistencia a la fluencia. En componentes aeroespaciales, piezas de hornos de vacío y sistemas nucleares, los materiales están expuestos a tensiones constantes a altas temperaturas durante periodos de tiempo muy largos. En estas condiciones, las aleaciones de tántalo y wolframio resisten la deformación y mantienen las propiedades mecánicas mucho mejor que el tántalo sin alear. La temperatura de recristalización también es más alta, lo que significa que la aleación conserva su microestructura y resistencia incluso tras una exposición térmica prolongada.

Y lo que es más importante, la adición de wolframio no afecta en gran medida a la resistencia a la corrosión del tántalo. Las aleaciones de tántalo y wolframio siguen siendo muy resistentes a muchos ácidos y entornos químicos agresivos, por lo que se utilizan en las condiciones químicas y térmicas más severas.

La contrapartida está en la trabajabilidad. En comparación con el tántalo de gran pureza, las aleaciones de tántalo y wolframio son más duras y menos dúctiles. Se necesitan condiciones más controladas, fuerzas más elevadas y mayor experiencia para el conformado, el mecanizado y la soldadura. Por este motivo, los costes de fabricación pueden ser más elevados, sobre todo en el caso de geometrías complejas. Sin embargo, cuando la fiabilidad mecánica a alta temperatura es crítica, estos retos son a menudo aceptables y esperados.

En la práctica, se prefieren las aleaciones de tántalo y wolframio para las aplicaciones estructurales y de soporte de carga, y el tántalo puro para los entornos en los que predomina la corrosión.

Tabla de datos comparativos

Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Punto de vista final

La elección entre el tántalo de gran pureza y las aleaciones de tántalo-tungsteno no es una cuestión de qué material es "mejor", sino de cuál es el más apropiado en un entorno concreto. El tántalo de gran pureza es el más adecuado para aplicaciones químicamente agresivas, sensibles a la contaminación y de fabricación intensiva. Las aleaciones de tantalio y wolframio están diseñadas para ofrecer resistencia, estabilidad y rendimiento a largo plazo en condiciones de alta temperatura y/o tensión mecánica.