Propiedades y Procesamiento de Materiales Compuestos de Matriz Metálica, Berilio y Cobalto

Materiales Compuestos de Matriz Metálica (MMCs) y Laminados

1. Propiedades Físicas

Los materiales cerámicos poseen un menor coeficiente de dilatación, el cual disminuirá en el compuesto respecto del metal base. En materiales unidireccionales, este comportamiento es anisotrópico y no se calcula adecuadamente mediante la regla de las mezclas. Asimismo, la conductividad térmica y eléctrica también experimenta una disminución.

2. Propiedades Mecánicas

Estos materiales mejoran significativamente la rigidez. Para alcanzar una alta resistencia, es imperativo contar con un refuerzo de alta resistencia y una entrecara fibra-matriz robusta. La gran diferencia entre los coeficientes de dilatación puede generar tensiones residuales, deformación plástica, incremento de dislocaciones y endurecimiento. El ciclado térmico puede dañar la integridad del compuesto.

• Resistencia mecánica: Aumenta en la dirección longitudinal si se incrementa el refuerzo. En la dirección transversal a las fibras largas, depende críticamente de la entrecara.
• Plasticidad y tenacidad: El refuerzo tiende a deteriorar estas propiedades.
• Resistencia a la fluencia: En fibras largas, mejora el comportamiento en dirección longitudinal; se observa una menor mejora en fibras cortas y en dirección transversal.
• Resistencia a la fatiga: Puede presentar mejoras sustanciales.

3. Generalidades de Fabricación

La fabricación se lleva a cabo a alta temperatura, donde las fibras cerámicas suelen reaccionar con matrices de Aluminio (Al), Magnesio (Mg) y Titanio (Ti). La reacción en la entrecara da lugar a la formación de un nuevo compuesto con propiedades inferiores a la entrecara original, disminuyendo la resistencia a la tracción y el módulo elástico.

Soluciones: Minimizar la temperatura y el tiempo de proceso, o recubrir la fibra con una sustancia inerte que no reaccione con la matriz.

4. Métodos de Obtención

4a. Estado Líquido

Utiliza refuerzos discontinuos y de bajo coste.

• Stir Casting: Mezcla de partículas con el metal fundido mediante agitación y posterior colada en molde.
• Rheocasting: La matriz se mantiene en estado semisólido durante el proceso.
• Infiltración: El metal se infiltra en una preforma previa constituida por el refuerzo.

4b. Estado Sólido

Se emplean partículas o láminas a bajas temperaturas.

• Pulvimetalurgia: Mezcla de polvo de aleación y refuerzo, seguida de compactación y consolidación mediante HIP (Hot Isostatic Pressing) o extrusión.
• Difusión: Alternancia de fibras y láminas en condiciones de vacío, aplicando presión y temperatura.

4c. Deposición

Incluye técnicas como el Spray y otros métodos de recubrimiento.

4d. In-situ

Se obtiene una microestructura de dos fases mediante la solidificación unidireccional de una aleación eutéctica. Una fase es columnar y la matriz la recubre, proporcionando alta resistencia a la temperatura, baja velocidad de fluencia y excelente estabilidad térmica.

5. Unión Mecánica

Se fundamenta en la adaptación a la rugosidad de la matriz; el metal debe rellenar dichas irregularidades. A mayor rugosidad, mejor es la unión. Es especialmente efectiva en compuestos de fibra larga y dirección longitudinal. Las tensiones térmicas incrementan la efectividad de este tipo de unión.

6. Unión Química

Se forma por la interacción o reacción de ambos materiales a alta temperatura, implicando la difusión de átomos a través de la entrecara. Se favorece con el aumento de la temperatura y el tiempo de permanencia. Una unión química muy fuerte en compuestos de fibra larga unidireccional puede beneficiar el límite elástico y la resistencia, pero perjudica la tenacidad de fractura.

7. Refuerzo Directo

Aunque el metal base es inicialmente menos resistente que el cerámico, la introducción del refuerzo permite aumentar las propiedades mecánicas globales del metal base.

8. Refuerzo Indirecto

El material se endurece proporcionalmente a las tensiones térmicas generadas. Estas se incrementan utilizando coeficientes de dilatación muy divergentes y procesando a temperaturas elevadas. A mayor cantidad de refuerzo, aumentan las tensiones y disminuye el tamaño de grano, incrementando la fracción de metal endurecido.

9. Ventajas e Inconvenientes Generales

• Ventajas: Mayor módulo elástico específico, superior resistencia a la tracción, mejor comportamiento térmico, alta resistencia al desgaste, bajo coeficiente de dilatación y mejor comportamiento ante la fatiga.
• Inconvenientes: Reducción de la plasticidad y tenacidad, mayor susceptibilidad a la corrosión, elevada anisotropía y alto coste económico.

10. Comparativa con Aleaciones Convencionales

• Ventajas: Menor densidad, mayor resistencia a la tracción, superior capacidad de amortiguamiento, compatibilidad con métodos convencionales de trabajo del aluminio y mayor tolerancia al daño en dirección longitudinal.
• Inconvenientes: Menor módulo elástico global, propiedades altamente direccionales, sensibilidad al impacto y deficiente comportamiento a compresión.

Berilio y sus Aleaciones

Al alear el Berilio (Be), el objetivo es mejorar sus propiedades de plasticidad y tenacidad sin comprometer su baja densidad y alta rigidez.

• Forja: Cristales de Be en matriz de Aluminio (Al); la presencia de Al mejora significativamente la plasticidad.
• Moldeo: Proceso complejo debido a la fuerte segregación y la formación de cavidades. Las piezas suelen presentar propiedades mecánicas bajas, lo que impulsa el desarrollo de nuevas aleaciones.
• Aplicaciones: Componentes que requieren alta rigidez, sistemas ópticos, frenos, ventanas para rayos X, aplicaciones nucleares y aviónica.

Superaleaciones de Cobalto

1. Características Principales

Poseen temperaturas de fusión más elevadas que las del níquel, lo que se traduce en una menor pérdida de resistencia a la tracción con el calor. Presentan un mejor comportamiento frente a la oxidación y corrosión en caliente (debido al contenido de Cromo), mayor resistencia a la fatiga térmica y excelente soldabilidad. Solo compiten con las aleaciones de Níquel a temperaturas superiores a los 900 ºC.

2. Composición y Elementos Aleantes

El cobalto presenta una transformación alotrópica de HCP a FCC a 417 ºC.

• Estabilizadores de fase épsilon (HCP): Cr, Mo, W (elevan la temperatura de transformación).
• Estabilizadores de fase gamma (FCC): Ni, Fe, Mn, Ta, Nb, Ti (reducen la temperatura de transformación).

Aleantes Principales:

• Carbono (C): Formador de carburos, mejora la fluencia y controla el tamaño de grano en forja. Si supera el 0.6%, reduce la ductilidad.
• Cromo (Cr): Forma carburos, endurece por solución sólida y proporciona estabilidad superficial frente a la corrosión.
• Wolframio (W) y Molibdeno (Mo): Principales endurecedores por solución sólida; forman carburos y fases TCP. Se prefiere el W por su capacidad de elevar la temperatura de fusión.
• Hierro (Fe) y Níquel (Ni): Estabilizan la fase gamma. Si el Ni > 20%, la fase gamma es estable a temperatura ambiente, aunque disminuye la resistencia a la corrosión.
• Tántalo (Ta) y Niobio (Nb): Formadores de carburos. El Ta puede sustituir al W en forja, aunque reduce la estabilidad superficial.
• Boro (B): Forma boruros, mejorando la fluencia y la ductilidad.
• Magnesio (Mg) y Silicio (Si): En moldeo, mejoran la colabilidad y controlan la presencia de sulfuros.

3. Microestructura

• Carburos: Principal elemento endurecedor (0.25-1% C). Los tipos M6C son muy estables, mientras que los MC actúan como reforzadores precipitando durante la solidificación o el enfriamiento.
• Fases Geométricamente Compactas (A3B): Coherentes (FCC) y ordenadas, refuerzan la matriz y mejoran la tracción y fluencia. Son estables hasta temperaturas moderadas.
• Fases TCP: Similares a las del Níquel, aparecen con exceso de Cromo. Las fases sigma y mu, junto con las fases de Laves (si Si > 0.5%), reducen la resistencia y ductilidad al captar aleantes de la matriz.

4. Tipos de Aleaciones de Cobalto

• Forja: Microestructura sencilla con carburos limitados para facilitar la deformación. Se someten a endurecimiento por acritud, recocido, solución y maduración.
• Moldeo: Se enfoca en generar y controlar los carburos. Mediante tratamientos de solución (1150-1280 ºC) y maduración (760-980 ºC) se obtienen precipitados finos de M23C6 distribuidos uniformemente.
• Comparación Co/Ni: Las aleaciones de Co de forja tienen una resistencia a la fluencia inferior a las de Ni. Sin embargo, en moldeo, el Co soporta mejor las altas temperaturas con bajas tensiones. A más de 870 ºC, los carburos M6C y MC son más estables que la fase gamma prima de las aleaciones de Níquel.

Propiedades y Producción del Berilio

1. Propiedades

• Físicas: Muy baja densidad, altísimo módulo elástico, excelente conductor térmico y eléctrico, y gran calor específico. Posee una baja sección de absorción de neutrones y alta transparencia a los rayos X. Presenta un bajo coeficiente de Poisson.
• Cristalografía: Estructura hexagonal compacta (HCP) a temperatura ambiente con un valor de c/a muy bajo. El movimiento de dislocaciones se limita a los planos basales, lo que provoca fragilidad y rotura por descohesión. Por encima de 200 ºC mejora su tenacidad y a 1254 ºC cambia a estructura BCC.

2. Procesos de Producción

Debido a la tendencia al agrietamiento en forja y al grano basto en moldeo, se utiliza predominantemente la vía pulvimetalúrgica.

• Producción de Polvo: Se parte de un lingote fundido en vacío, se reduce a viruta y posteriormente a partículas mediante atricción mecánica o pulverización por impacto.
• Consolidación del Polvo:
  • Prensado en caliente y vacío: Realizado entre 1000-1100 ºC y presiones de 4-14 MPa.
  • Compactación Isostática: Permite aplicar presiones elevadas de forma uniforme en todas las direcciones.
  • Conformado en caliente: Etapa final para dar forma al componente.