Por qué se están adoptando los compuestos de matriz de titanio
Las demandas de materiales estructurales en equipos aeroespaciales y energéticos siguen aumentando, y la tenacidad a altas temperaturas es una de las propiedades más difíciles de satisfacer con una única aleación monolítica. Por lo tanto, los compuestos de matriz de titanio reforzados discontinuamente han pasado de ser una curiosidad de laboratorio a convertirse en candidatos de ingeniería, porque combinan baja densidad con alta resistencia, alta rigidez, alto módulo específico y resistencia útil a temperaturas elevadas.
Después de más de tres décadas de investigación y desarrollo de procesos, existe una familia de sistemas compuestos maduros. En comparación con la matriz de aleación de titanio sola, un compuesto bien diseñado puede elevar la temperatura de servicio utilizable entre 100 y 150 grados C y agregar más de 100 MPa de resistencia a la misma temperatura. Esa combinación permite que una pieza de titanio de alta-temperatura reemplace un componente metálico más pesado-de alta temperatura y aun así ofrecer el ahorro de peso que impulsa gran parte del diseño moderno de motores y estructuras de aviones.
Diseño de refuerzo multivariado y multiescala
La filosofía de diseño detrás de los sistemas más nuevos se describe como refuerzo multivariado y multiescala. En lugar de agregar un solo tipo de fibra o partícula, el diseñador combina refuerzos de diferente química, tamaño y morfología, de modo que las fases de micro-escala y nano-escala refuerzan la matriz de diferentes maneras y en diferentes escalas de longitud.
El refuerzo de micro-escala soporta carga y aumenta la rigidez y la resistencia a la fluencia, pero tiende a reducir la ductilidad cuando se agrega solo.
El refuerzo a nano-escala fortalece la matriz localmente, fija las dislocaciones y puede retardar el inicio de grietas sin consumir gran parte del presupuesto de ductilidad.
La tercera variable es el control de la configuración o morfología, es decir, la disposición deliberada del refuerzo. La distribución ordenada no-uniforme, inspirada en materiales estructurales biológicos, produce mecanismos de endurecimiento que una mezcla aleatoria no puede lograr.
El objetivo de este enfoque de configuración micro{0}}nano plus es romper el antiguo-equilibrio-entre resistencia y tenacidad en compuestos reforzados de forma discontinua y ofrecer un material cuyas propiedades sean altas y estables.
Aleaciones matriciales y sistemas de refuerzo.
La matriz se elige en primer lugar porque fija el techo de temperatura, el comportamiento a la corrosión y la ventana de procesamiento. Las aleaciones casi-alfa y alfa-beta con buena estabilidad térmica son las opciones habituales, y luego se selecciona el refuerzo por su compatibilidad química con esa matriz.
| Elemento del diseño | Opciones comunes | Función |
|---|---|---|
| Aleación de matriz | Ti-6Al-4V (TC4), Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si (TC11), Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (TC18), aleaciones casi alfa resistentes al calor | Transferencia de carga, resistencia a la oxidación, estabilidad térmica. |
| Refuerzo cerámico | Bigotes de boruro de titanio (TiB), partículas de carburo de titanio (TiC), diboruro de titanio (TiB2), siliciuro de titanio (Ti5Si3) | Rigidez, resistencia, fluencia y resistencia al desgaste. |
| Adiciones de tierras raras- | Óxido de itrio (Y2O3), óxido de lantano (La2O3) | Refinamiento de granos, fortalecimiento de dispersión de óxido, eliminación de oxígeno. |
| Nivel de refuerzo | Principalmente entre el 5 y el 15 % del volumen en los sistemas publicados y de producción | Equilibrio entre ganancia de resistencia y ductilidad restante. |
El control de la interfaz es decisivo. Una capa de reacción delgada y coherente transfiere la carga de manera eficiente, mientras que un producto de reacción excesivamente frágil se convierte en un camino de grieta. Es por eso que las rutas in-in situ, que hacen crecer el refuerzo a partir de la propia matriz, generalmente brindan una interfaz más limpia que los compuestos mezclados a partir de polvos producidos por separado.
Rutas de preparación: síntesis in-in situ y pulvimetalurgia
Dos rutas dominan la producción práctica. También se pueden combinar y la elección depende del tamaño del componente, el nivel de refuerzo y la calidad de la interfaz requerida.
Síntesis autógena in-in situ: los elementos o compuestos reactivos se introducen en la masa fundida o en la mezcla de polvo y reaccionan para formar el refuerzo en su lugar. Las reacciones típicas producen TiB a partir de titanio y boro, TiC a partir de titanio y carbono, o una mezcla de TiB más TiC a partir de una carga de titanio y carburo de boro. El refuerzo es fino, distribuido uniformemente y bien adherido a la matriz.
Metalurgia de polvos: el polvo de matriz y el polvo de refuerzo se mezclan, se colocan o se vierten en un patrón controlado y luego se consolidan. Debido a que la disposición está pre-diseñada, el refuerzo se puede concentrar deliberadamente en zonas seleccionadas, lo que aumenta la designabilidad del componente.
Los pasos de consolidación utilizados en las líneas piloto y de producción incluyen el prensado en caliente al vacío, el prensado isostático en caliente, la sinterización por plasma por chispa y, para piezas pequeñas de precisión, el moldeo por inyección de metal. Cada ruta es seguida por una etapa de tratamiento termomecánico o térmico, porque la microestructura as-consolidada rara vez ofrece el equilibrio final de propiedades por sí sola.
Procesamiento Térmico, Fabricación Aditiva y Control de Calidad
El procesamiento térmico es donde el diseño compuesto se convierte en una parte real. Se debe comprender la influencia del tipo y nivel de refuerzo, la microestructura inicial y la configuración interna en el mecanismo de deformación en caliente para poder establecer programas de forjado y laminado para controlar el tamaño de grano, las proporciones de fases y la alineación del refuerzo.
La forja isotérmica permite moldear grandes piezas estructurales a una velocidad de deformación y temperatura controladas, lo cual es esencial para compuestos con ductilidad en caliente limitada.
El laminado en caliente y la extrusión alinean el refuerzo de bigotes en la dirección de trabajo, aumentando la rigidez y la resistencia longitudinal.
El conformado superplástico combinado con unión por difusión produce secciones huecas y complejas que de otro modo necesitarían muchas uniones soldadas.
La fabricación aditiva, que incluye revestimiento láser, fusión de lecho de polvo por láser y deposición de energía dirigida, se utiliza para componentes pequeños de precisión y para estructuras con canales internos que las herramientas convencionales no pueden producir.
La verificación sigue el marco de aleación de matriz, con pruebas de tracción según ASTM E8, pruebas de tracción a temperatura elevada según ASTM E21, pruebas de dureza según ASTM E384, pruebas de tenacidad a la fractura según ASTM E399 y pruebas de fatiga según las normas de fatiga ASTM pertinentes. Las barras y el material de forja se solicitan según ASTM B348 o ASTM B381, o según las series GB/T 2965 y GB/T 3620.1, donde se especifican designaciones chinas como TC4 y TC11. Los defectos internos se controlan mediante exploración C-ultrasónica y, para formas complejas, tomografía computarizada industrial.
El desafío de ingeniería restante es el costo. Un polvo de menor-coste, una formación de forma casi-neta y mayores tasas de utilización de materiales son las palancas que sacarán los compuestos de matriz de titanio de las aplicaciones especializadas y los llevarán a un uso civil más amplio, y esa es la dirección que está tomando el desarrollo actual del proceso.
Preguntas frecuentes
P: ¿Qué es un composite de matriz de titanio reforzado discontinuamente?
Es una aleación de titanio que contiene una fase cerámica dispersa, como bigotes de TiB o partículas de TiC, en lugar de fibras continuas. El refuerzo disperso aumenta la rigidez, la resistencia y la resistencia a la fluencia mientras mantiene el material maleable mediante rutas convencionales de forjado y laminación.
P: ¿Cuánto mejora la temperatura de servicio?
Con un diseño y procesamiento correctos, la temperatura utilizable puede aumentar entre 100 y 150 grados C en comparación con la aleación de matriz no reforzada, y la resistencia a una temperatura determinada puede aumentar en más de 100 MPa.
P: ¿Por qué se prefiere la síntesis in-in situ a la simple mezcla de polvos?
La reacción in-in situ hace crecer el refuerzo dentro de la matriz, lo que produce una dispersión más fina y una interfaz más limpia y fuerte. Los polvos mezclados pueden dejar el refuerzo mal adherido o agrupado, lo que perjudica tanto la tenacidad como la vida a la fatiga.
P: ¿Qué aleaciones de matriz se utilizan con más frecuencia?
Las aleaciones alfa-beta y casi-alfa con buena estabilidad térmica, como Ti-6Al-4V, Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si y Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe, son las matrices habituales porque toleran las temperaturas de consolidación y forjado involucradas.
P: ¿Qué limita el contenido de refuerzo?
Ductilidad y tenacidad. La resistencia y la rigidez aumentan con el nivel de refuerzo, pero más allá de aproximadamente el 15 % en volumen, el material pierde la tolerancia al daño necesaria para las estructuras primarias, por lo que la mayoría de los sistemas permanecen en el rango del 5 al 15 %.
P: ¿Dónde se utilizan estos compuestos hoy en día?
Principalmente en estructuras aeroespaciales y de defensa y en componentes de motores aero-como palas, discos y carcasas de compresores, con un uso cada vez mayor en piezas automotrices ligeras y piezas industriales de alta-temperatura.
