Capítulo 11
Fabricación Materiales Compuestos
Escuela Superior de Ingenieros
Fabricación Objetivo: calidad calidad microe microestru structura cturall a coste razonable razonable n n n
PMCs, técnicas maduras MMCs, en desarrollo CMCs, en desarrollo
Fabricación PMCs Introducción n
Objetivos: ¨ ¨ ¨
n
buen moja mojado do fibr fibras as distr distrib ibuci ución ón uniform uniforme e del refuer refuerzo zo alineamien alineamiento to correcto correcto
Ruta Rutas s para para resi resina nas s term termoe oest stab able les s ¨
Impreg Impregnac nación ión de resi resinas nas líquid líquidas as n n n
¨ ¨
n
Bobina Bobinado do (filame (filament nt winding) winding) Pultrusión Mold Moldeo eo por por comp compres resión ión
Cons Consol olid idac ació ión n bajo bajo pres presió ión n de pre-pe pre-pegs gs Cons Consoli olida dació ción n de resi resinas nas en molde molde
Ruta Rutas s para para resi resina nas s term termop oplá lást stic icas as ¨ ¨
Mold Moldeo eo por por inye inyecc cció ión n Mold Moldeo eo por por comp compre resi sión ón en cali calien ente te
Fabricación PMCs Introducción
Material
Polímero termoplástico
Etapa intermedia
Producción Componente
Fibras cortas
Moldeo
Moldeo por inyección
Moldeo por compresión
Polímero termoestable
Tejido, hilado, etc...
Impregnación
Pultrusión
Fibras largas
Hilado de filamentos
Inyección de resina
Fabricación PMCs Impregnación. Wet lay-up y Spray lay-up n
Fibras impregnadas mediante laminación o pulverización con resinas de baja viscosidad, previamente mezcladas con el endurecedor. El curado se realiza en general a temperatura ambiente. Se emplea un molde.
Wet lay-up (fibras largas)
Spray lay-up (fibras cortas)
Palas aerogeneradores, barcos, moldes edificación
Cerramientos, paneles estructurales sometidos a cargas ligeras (caravanas, bañeras,…)
Fabricación PMCs Impregnación. Wet lay-up y Spray lay-up n
Ventajas ¨
n
Gran versatilidad, variedad de formas
¨
Bajo coste y rapidez en el depósito de matriz y fibras
¨
Bajo coste herramientas
¨
Operación sencilla
Existe una variante en la cual el curado se hace bajo presión
n
Inconvenientes ¨
Los laminados tienden a ser ricos en resina
¨
Para conseguir resinas con baja viscosidad es necesario emplear altos niveles de diluyentes (estireno) lo cual empeora las propiedades mecánicas y térmicas
¨
Problemas de seguridad laboral por la baja viscosidad de las resinas (legislación sobre concentración máxima de estireno en el aire) Vacuum bagging
Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado Geometría del refuerzo controlada por el movimiento relativo entre mandril y carro
Mandril o husillo rotativo
Rodillos Impregnación Baño de resina
Mov. Radial carro Basculación Mov. Axial carro
Carro
Mov. ojo
Fibras
Rotación husillo
Fileta (creel)
Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado
Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado n
Parámetros clave Tensión en las fibras ¨ Ratio de impregnación ¨ Geometría del bobinado ¨
n
Aplicaciones Tanques y tuberías para productos químicos ¨ Depósitos ¨
Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado n
Ventajas ¨ ¨ ¨
¨
¨
Automatizable Rápido Contenido en resina controlable Se elimina elaboración de preforma de fibras Buenas propiedades mecánicas
n
Inconvenientes ¨ ¨
¨ ¨
¨
Limitado a formas convexas Problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo (axial, tendencia a seguir la línea geodésica) Coste del mandril (s/ tamaño) Cara externa pobre estéticamente (no molde) Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad ? peores propiedades mecánicas y problemas seguridad laboral
Fabricación PMCs Impregnación. Pultrusión
Productos similares extrusión convencional (perfiles)
Fabricación PMCs Impregnación. Pultrusión n
Ventajas ¨
¨
¨
¨
¨
Muy rápido (proceso continuo) Control preciso cantidad de resina Se elimina elaboración de preforma de fibras Productos de elevada resistencia Zona impregnación cerrada, limitándose las emisiones de productos volátiles
n
Inconvenientes ¨
¨
Limitado a componentes de sección transversal constante Los costes de calentamiento de las matrices pueden ser elevados
Fabricación PMCs Impregnación. Moldeo por compresión
Resin Transfer Moulding (RTM) n
Aplicaciones: ¨ ¨ ¨ ¨
Componentes automóviles Pequeños componentes de aviones Asientos trenes Raquetas tenis
Fabricación PMCs Impregnación. Moldeo por compresión n
Ventajas ¨
¨
¨
Elevadas fracciones volumétricas de fibras con muy baja porosidad Método seguro (resina no expuesta al ambiente) Alta calidad estética (moldes)
n
Inconvenientes ¨
¨
¨
Costes elevados de los moldes y precisión encaje Generalmente limitado el tamaño de las piezas fabricadas Pueden aparecer zonas con impregnación defectuosa
Fabricación PMCs Consolidación bajo presión de pre-pregs n
n
n
n
n
Se parte de placas o láminas de fibras pre-impregnadas con resina (curado parcial) La resina está en estado semisólido (tipo adhesivo) Se apilan los pre-pregs con distintas orientaciones y se consolidan bajo presión Curado final por calentamiento bajo presión ( i.e., autoclave, 1020 atm) Aplicaciones: alas de aviones, F1, esquís, raquetas, …
Fabricación PMCs Consolidación bajo presión de pre-pregs n
Ventajas ¨
¨ ¨
¨
Altas fracciones volumétricas de fibras Seguros para la salud Se puede optimizar la resina para mejorar comportamiento mecánico y térmico (incluso resinas viscosas) Potencialmente automatizable
n
Inconvenientes ¨ ¨
¨
Pre-pregs tejidos caros Generalmente los hornos autoclave son necesarios (caros, operación lenta, tamaño limitado) El utillaje debe resistir las altas temperaturas
Fabricación PMCs Consolidación de resinas en molde n
n n n
Variación técnica pre-pregs: los productos intermedios son sheet moulding compound (SMC) y dough moulding compound (DMC), basados en resinas poliméricas Refuerzos discontinuos Producto final por compresión en caliente Fracción volumétrica de fibras limitada por viscosidad de la pasta (slurry)
Fabricación PMCs Consolidación de resinas en molde. SMCs y DMCs
SMC
DMC
Fabricación PMCs Moldeo por inyección
n n
Para resinas termoplásticas reforzadas con fibras cortas Etapas del proceso: ¨ ¨
¨ ¨
n
Introducción de los gránulos (con fibras 1-5 mm, V f <10-20%) El tornillo hidráulico, rodeado de un calentador, lleva el material hacia el molde mientras se va fundiendo (flujo cortante, homogenización mezcla) El material acumulado es empujado a través del canal d e colada por el tornillo. El molde se precalienta Se mantiene la presión por un tiempo corto para prevenir la fluencia del material y posibles contracciones. Se deja enfriar el molde y se extrae la pieza
La orientación de las fibras se puede controlar mediante el tipo de flujo que se produce durante el llenado del molde
Fabricación PMCs Moldeo por compresión en caliente n n n n
Para resinas termoplásticas reforzadas por fibras largas Se parte de pre-pegs (láminas) Se apilan los pre-pregs con la orientación deseada Se realiza la compresión en caliente ¨
¨
No es necesario curar el polímero, con lo cual se emplea la temperatura mínima necesaria para fundir la matriz y obtener una viscosidad razonable La matriz es mucho más viscosa que en el caso de las resinas termoestables, y por tanto se necesitan elevadas temperaturas y presiones
Fabricación MMCs n n
Introducción Rutas de fabricación Metalurgia de polvos ¨ Mezclado por agitación y fundición ¨ Depósito por pulverización ¨ Infiltración bajo presión ¨ Compresión en caliente/PVD ¨ Unión por difusión ¨
n
Procesos de consolidación y conformado Extrusión y embutición ¨ Laminación, forja y compresión isostática en caliente ¨
Fabricación MMCs. Introducción Refuerzo
Ruta fabricación
Continuo ⊗
Inviable
(v) Inusual
v Ruta habitual
Discontinuo
Monofil.
Multifil.
Corto
Partícula
Metalurgia de polvos/extrusión
⊗
⊗
Mezclado por agitación y fundición
⊗
⊗
v (v)
v v
Depósito por pulverización
v
v
⊗
v
Infiltración bajo presión
(v)
v
v
(v)
Compresión en caliente/PVD
(v)
v
⊗
⊗
v
⊗
⊗
⊗
Unión por difusión
Rutas con metal fundido: se favorece el contacto en la intercara metal/refuerzo + Uniones fuertes - Formación capa frágil de productos de reacción
Rutas de Fabricación de MMCs Metalurgia de polvos n
Etapas principales Mezclado ¨ Compactación en frío ¨ Desgasificación (degassing) ¨ Consolidación a alta temperatura ¨
n n n
HIP Sinterizado Extrusión
Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n
Mezclado ¨
Polvos metálicos (atomizados): n n n
¨ ¨
n
prealeados o polvos elementales 20-40 µm, < 100 µm Capa óxido, moléculas agua asociadas
Buena mezcla a homogeneidad refuerzo Factor crítico: relación de tamaño entre polvos metálicos y refuerzo
Compactación en caliente ¨ ¨
Necesaria eliminación previa moléculas agua (desgasificación) Material 95% denso (en vacío)
Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n
Compactación en caliente ¨
Dos opciones: n
Sinterización en fase líquida (región liquidus-solidus) ¨ ¨ ¨
n
Mayor densidad Reacciones refuerzo-metal, intermetálicos indeseables Degradación microestructura, eutécticos intermetálicos groseros
Bajo línea de solidus ¨
Ventajas de aleación supersaturada metaestable si el proceso de solidificación durante el atomizado es rápido. Endurecimiento por precipitación.
Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n
Extrusión Paso final antes mecanizado ¨ Reducción de 20:1 o mayor. ¨
n n
n
Se rompe la película de óxido entre partículas metálicas Distribución uniforme del refuerzo debido al flujo plástico
Control de la reducción y la temperatura para evitar roturas del refuerzo y degradación de la microestructura de la matriz
Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n
Ventajas ¨
Matriz: cualquier aleación n
¨ ¨
n
Aleaciones en no-equilibrio empleando solidificación rápida con mejor resistencia a alta temperatura
Refuerzo: cualquiera (ruta sólida) Posibilidad V p elevadas (sube E , baja α)
Desventajas ¨ ¨ ¨ ¨
Manejo de gran cantidad de polvos muy reactivos, incluso potencialmente explosivos Ruta de fabricación relativamente compleja Formas productos iniciales limitados Coste elevado comparado con material sin refuerzo (Al 100$/kg)
Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición n
Objetivos agitación: ¨ ¨ ¨
n
n
Mejora mojado partículas Evitar aglomeración Evitar sedimentación
Se consigue viscosidad suficientemente baja para realizar operaciones convencionales de fundición hasta V p =25% y partículas de 10 µm y más. Empleada por Duralcan, Hydro Aluminium AS y Comalco
Reocasting
Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición n
Ventajas ¨
n
En principio se pueden emplear todos los métodos convencionales de procesamiento de metales. Bajo coste (6$/kg)
Desventajas Aglomeración, sedimentación ¨ Reacciones refuerzo-metal fundente ¨ Segregación de partículas (frente de solidificación) ¨ Porosidad ¨
Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición n
Al-7%Si/20%SiCp. Segregación durante la solidificación (a) lenta (fundición a la cera perdida, investment cast ) y (b) rápida (pressure die cast ).
Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición
Duralcan 6061/Al2O3 20%
Comalco 6061/óxido 20%
Fabricación MMCs Depósito por pulverización (Spray deposition) n
Dos tipos, según proceda el flujo pulverizado de: ¨ ¨
n
Un depósito de metal fundente Una alimentación continua de un metal frío en una zona de inyección rápida en caliente
Características: ¨ ¨ ¨ ¨
¨
Solidificación rápida Contenido bajo en óxidos Porosidad (95-98% densidad) Dificultad para conseguir una distribución homogénea del refuerzo Coste intermedio entre ruta de polvos y de metal fundente.
Fabricación MMCs Depósito por pulverización (Spray deposition) n
n
n
n
n
n
n
Procesos Osprey, desarrollado en los 70-80 Velocidad de depósito alta (610 kgs -1) Contacto metal fundidocerámica corto V p <20-25%, para no perder material en exceso (overspray) Tamaño gota depende de la boquilla y flujo de metal y gas Las gotas no solidifican ‘en vuelo’ Intercara fuerte
Fabricación MMCs Depósito por pulverización (Spray deposition) n n
n n
Polvos metálicos o alambres Pulverización por: ¨ Expansión rápida de un gas (arco eléctrico o combustión) ¨ Plasma Aplicaciones en recubrimientos con gradiente Características: ¨ Velocidad de depósito menor (<1gs-1) ¨ Velocidad de las partículas mayor ¨ Velocidades de enfriamiento muy elevadas ¨ Se puede controlar la porosidad por debajo del 1%
Pulverización por plasma (10000-20000
Fabricación MMCs Infiltración bajo presión (squeeze infiltrate preform) n
n n n n
n n n
n
Preforma partículas/fibras cortas, con ligante (en general, base sílice) Vacío Infiltración metal fundente a presión Vp =50% Se puede diluir añadiendo más metal fundente (técnicas de mezclado) Baja porosidad Mismos problemas que rutas de stir casting No es una ruta habitual para refuerzos partículas Las fibras no actúan como lugares preferentes de nucleación: ¨
¨ ¨
Lo último que solidifica es la zona alrededor de las fibras, rica en solutos Se favorece intercara fuerte Las capas de óxidos no se forman por escasez de O
Fabricación. Reacciones matriz-refuerzo n
n
Problemático en procesos con contacto prolongado metal fundente-cerámica Caso Al-SiC: Formación de Al4C3 y Si. Degrada propiedades finales del MMC y aumenta la viscosidad ¨ Cinética lenta en metal fundente rico en Si ¨
n
Para Al en rutas de stir casting se emplea Al2O3p si la aplicación no permite altos contenidos de Si en la matriz
Fabricación MMCs Compresión en caliente/PVD n
Proceso PVD ¨ ¨ ¨ ¨
n n n
n
Las fibras pasan continuamente por la cámara. Recubrimiento ancho No afecta zona intercara Se apilan las fibras recubiertas y se realiza la compresión en caliente o proceso de HIP Ventajas ¨ ¨
n
Evaporación (bombardeo fuente electrones o iones sobre barra material objetivo) Transporte Reacción (optativa) Depósito (condensación)
Distribución de fibras muy homogénea V f hasta 80%
Inconvenientes: ¨ ¨
Lento Caro
Fabricación MMCs Unión por difusión Se aplica presión en caliente sobre láminas de un material apiladas. Es una unión en estado sólido
Contacto inicial
n
Empleado para Ti/monofil SiC ¨ Los óxidos de Ti se disuelven a 700ºC ¨ Se evitan reacciones en la intercara
Deformación y fluencia lenta. Se reducen las cavidades y el espesor de la capa contaminante
Procesos de difusión de vacantes. Desaparece capa óxido
Fabricación CMCs Introducción n Rutas con polvos cerámicos n Procesos reactivos n Compuestos cerámicos laminados n Compuestos C/C n
Fabricación CMCs Introducción n
Importantes problemas técnicos debidos a: Fragilidad de las matrices que limita la deformación durante los procesos de fabricación ¨ Cambios de volumen asociados a agrietamiento. Empeora el problema al reforzar pues las fibras impiden la contracción de la matriz durante la eliminación de poros ¨ Temperaturas elevadas de fabricación (>1000ºC) ¨
Fabricación CMCs Introducción Metal líquido Material
Polvos cerámicos
Etapa intermedia
Producción Componente
Fibras cerámicas
Compuesto fase vapor
Verde
Proceso reactivo
Sinterizado
Presión en caliente
Infiltración en fase vapor
Fabricación CMCs Rutas con polvos cerámicos n
Establecidas en la industria para la fabricación de piezas cerámicas ¨
¨
n
Compactación en frío de los polvos, generalmente con una fase ligante: piezas en verde Sinterización ó compresión en caliente para eliminar los poros mediante procesos de difusión. Si hay líquido presente esta etapa es más rápida por la acción de la capilaridad
Las fibras limitan la consolidación impidiendo la contracción de la matriz ? agrietamiento ¨
Mejora con HIP (aplicando presión hidrostática elevada) pero supone elevar significativamente los costes de producción
Fabricación CMCs Rutas con polvos cerámicos
n
Solución: empleo de matrices total o parcialmente líquidas a la temperatura de consolidación ¨
n
Restringido a matrices que presentan propiedades pobres a elevada temperatura (matrices vítreas, i.e. borosilicatos y cordierita)
Siguen produciéndose problemas en la etapa de enfriamiento debido al desajuste en la expansión térmica
Fabricación CMCs Procesos reactivos n
Constituyentes elegidos de forma que se produzcan reacciones químicas durante el proceso de consolidación de la mezcla
n
Ejemplo: introducción de un metal en estado líquido que se oxida progresivamente (procesos XD, a partir de la oxidación direccional del Al)
n
Características del proceso ¨
Near-net-shape forming posible
¨
Control tensiones internas y porosidad
¨
n
Cinética de la reacción
n
Gradientes térmicos
n
Velocidades de infiltración
Frecuente metal residual sin reaccionar. Tolerable e incluso contibuye a mejorar la tenacidad
Fabricación CMCs Compuestos cerámicos laminados n
Apilamiento de láminas en verde y sinterización. Proceso relativamente rápido y barato
n
Método sencillo de obtención de composites cerámicos relativamente tenaces
n
Ejemplo: láminas de SiC (200µm) recubiertas (5µm) con materiales que formen intercaras débiles (grafito)
n
Se obtienen materiales con propiedades anisótropas y estructuras similares a las conchas de los moluscos
Fabricación CMCs Compuestos C/C n
C: material con propiedades excelentes a alta temperatura en ambiente no oxidante ? Aplicaciones importantes (frenos aviación) ¨ No puede ser sinterizado ¨
n
Dos rutas básicas de fabricación
