Materiales con función gradiente - Observatorio Tecnológico del Metal

2011
Materiales con función
gradiente (FGM)
Aproximación a tecnologías emergentes
Los materiales con función gradiente (FGM – Functionally Graded Materials)
representan una clase de materiales compuestos que explotan el
comportamiento de sus constituyentes sin introducir interfases bimateriales. El
cambio gradual de sus propiedades permite diseñar a los FGM en aplicaciones
específicas de altas solicitaciones sin introducir concentradores de tensiones
habituales en los compuestos tradicionales. En muchas aplicaciones los FGM se
utilizan como recubrimientos anti-desgaste de los materiales homogéneos
tradicionales.
Unidad de Materiales y Tratamientos Superficiales
AIMME
28/09/2011
Materiales con función gradiente (FGM)
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Aproximación a los
l materiales con función
gradiente (FGM)
1. Introducción
Los materiales compuestos ligeros con elevadas relaciones resistencia/peso y rigidez/peso se
han utilizado con éxito en la industria aeronáutica y otras aplicaciones de ingeniería. Sin
embargo, el material compuesto tradicional no se puede emplear en ambientes
ambie
sometidos a
altas temperaturas ya que la resistencia del metal se reduce de forma similar a los materiales
base.. Los materiales cerámicos tienen excelentes características de resistencia al calor,
calor sin
embargo, sus aplicaciones son por lo general limitadas debido a su baja tenacidad.
Recientemente, se han desarrollado una nueva clase de materiales compuestos conocidos
como “materiales con función gradiente (FGMs)”. Un típico FGM,
M, con un alto efecto de
acoplamiento flexión – estiramiento, es un compuesto
comp
heterogéneo hecho de diferentes fases
de los materiales
es que lo constituyen (por lo general cerámica y metal). Un ejemplo de este
material se muestra en la figura
igura 1, donde las partículas esféricas o casi esféricas están
incrustadas en una matriz isotrópica.
isotr
Figura 1. Ejemplos de diferentes tipos de microestructuras de materiales funcionalmente graduados [1]
Dentro de los FGMs las diferentes fases microestructurales tienen distintas
stintas funciones y el
conjunto FGM alcanza el estado multiestructural de su gradación.. Por la variación gradual de la
fracción volumétrica de los materiales constitutivos, las propiedades de los materiales
presentan un cambio suave y continuo
continu de una superficie a otra, eliminando así los problemas
de interfase y mitigando las concentraciones
conce
de esfuerzos térmicos.. Esto se debe al hecho de
que los componentes cerámic
erámicos de los FGMs son capaces de soportar entornos de alta
temperatura debido a sus mejores características de resistencia térmica, mientras que los
componentes metálicos proporcionan un mayor rendimiento mecánico y reducen
reduc
la
posibilidad de fractura catastrófica.
Para visualizar las diferentes tecnologías y/o tipos de recubrimientos aplicados, la figura 3 nos
muestra el orden cronológico de estas tecnologías.
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(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2. Visualización de la transición de las diferentes tecnologías de recubrimientos donde la imagen
(d) muestra el perfil de composición naranja a violeta Ti(C, N) del FGM, que representa un aumento en
el contenido de carbono hacia el interior, es un perfil de difusión con un “espesor de la capa” en el
rango de distancias atómicas. [4]
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El término FGMs se originó en la década de los 80 por un grupo de científicos en Japón. Desde
entonces, se están haciendo esfuerzos
esfuerzo para desarrollar materiales
riales de alta resistencia utilizando
los FGMs. Estos materiales fueron diseñados inicialmente como material de barrera térmica
para estructuras aeroespaciales y reactores de fusión. Ahora se están desarrollando
desarrolla
para uso
general como en componentes estructurales
estruct
sometidos a alta temperatura.
Existen un gran número de métodos para obtener FGMs, entre otros, metalurgia de polvos,
procesamiento coloidal, infiltración, deposición química o física en fase vapor, proyección
térmicaa y deposición electroforética. Sin embargo, se pueden encontrar algunas tendencias
comunes en esta variedad de procesos y en particular dos clases de métodos para la
producción de FGMs donde se puede distinguir una fase metálica. La primera clase son los
“procesos constructivos”, llevan
lleva el nombre debido a que los FGMs se construyen
construye capa por
capa de forma programada. Este método es atractivo porque no hay límite en los gradientes
que se pueden producir. La segunda clase son “procesos basados en el transporte”
transporte que crean
gradientes dentro dee un componente por fenómenos de transporte natural. Estos procesos
usan el flujo de fluidos, la difusión de especies atómicas o la conducción de calor para crear
gradientes en microestructuras locales y/o composiciones. En general, son más rentables que
los “procesos constructivos”” (Figura 3).
Para todos ellos, el principal desafío es la fabricación de estructuras gradientes donde la
concentración de tensiones residuales de origen térmico a lo largo del gradiente sea mínima,
lo que mejoraría la fiabilidad del componente bajo condiciones de operación. Habitualmente,
para resolver esta cuestión, se fabrican gradientes apilando capas sucesivas donde en cada una
de ellas varía la composición o la granulometría. Sin embargo, la transferencia de estos
procesos a un sistema de producción a gran escala es muy compleja y, además, pueden
desarrollarse tensiones en las intercaras de las capas. El desarrollo de estructuras con
gradientes continuos eliminaría gran parte de estos problemas y, así, se han desarrollado
gradientes
ientes continuos mediante sedimentación de una suspensión con varias fases o por
deposición electroforética de una suspensión recirculada de varios componentes donde varía
la relación de concentración entre ellos.
Figura 3. Diferentes métodos de fabricación de los materiales graduados funcionalmente (FGM) [3]
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2. Aplicaciones
Hay varios tipos de FGMs que presentan excelentes propiedades multifuncionales y
aplicaciones multisectoriales, como se muestra a continuación:
Tipo
Propiedades
Método de fabricación
Aplicaciones
Relajación de la tensión
Proceso de sinterización
térmica, alta resistencia
FGMs cerámico/metal a
asistida por corriente de
al calor y resistencia al
granel (figura 7)
plasma pulsada (SPS,
desgaste, alta resistencia
Spark Plasma Sintering)
mecánica
Componentes
omponentes de alta
eficiencia del motor
Procesos de fabricación
Estructuras de bajo peso
Titanio (aleaciones) con Combinación
Combina
de buenas aditiva mediante capas:
para la industria
densidad graduada o propiedades mecánicas y sinterizado láser directo
aeronáutica y
porosidad (figura 5)
bajo peso
de polvo metálico
aeroespacial, implantes
(DMLS)
Procesos de fabricación
aditiva mediante capas:
Aceros de herramienta
impresión 3D con control
con gradiente de C, V, Cr;
Combina
Combinación
de
de la composición local
aceros o superaleaciones
tenacidad y dureza o
de material (generación
de Ni con gradiente de
Resistencia al desgaste de una pieza en verde de
partículas cerámicas
material en polvo y
(óxidos, carburos)
sinterización o
infiltración)
Herramientas
Herramientas,
instrumental médico,
médico
implantes industria
implantes,
aeronáutica y
aeroespacial
Metal duro con función
gradiente: sustrato de
Resistencia al desgaste,
titanio con capa
resistencia a la rotura,
cerámica, núcleo duro de
resistencia a las grietas
metal duro y capa
térmicas
intermedia con
composición gradiente
sinterización
Insertos de corte,
plaquitas de metal duro
(figura 4)
Combinación ferríticoaustenítico como 17-4PH Magn
Magnético y amagnético;
y 316L; combinación de
dúctil y tenaz
acero-cerámico
Co-inyección y cosinterización
(construcción de una
interfase gradiente)
Industria automotriz,
sensores, instrumental
médico
Metales preciosos como
Pt, Ag (catálisis) y óxidos
metálicos como SnO2
(sensores) con porosidad
gradiente desde granel a
escala nanométrica
(figura 6)
PVD basado en técnicas
Alta superficie específica
de pulverización catódica
y fuerte interacción gasgas
y evaporación y
Sensores de gases y
metal, porosidad
condensación de gas
catalizador de capa
catalizadores
gradiente combina el
inerte, con diseño in-situ activa
activa, baja temperatura
contacto optimizado en
de las estructuras
de unión para
sustratos (lado a granel)
depuestas por el control conexiones electrónicas
y una gran funcionalidad
de los parámetros del
(lado
lado nanoestructurados)
proceso
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Figura 4. Campos
ampos de investigación en el desarrollo de plaquitas de metal duro. El concepto de los
l
FGMs puede contribuir al diseño del sustrato, borde de corte y recubrimiento
cubrimiento/capa [4]
Figura 5. Implantes con FGMs diseñados a medida y con propiedades en sitios específicos [5]
Figura 6. El FGM es un electrodo de lámpara HID (descarga de alta intensidad) hecho de un material
compuesto metal/cuarzo
cuarzo (SiO2). El metal y cuarzo se fabrican a lo largo de un gradiente, sin límites.
[6]
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Figura 7. Engranajes FGMs (materiales compuestos de matriz de aluminio) fabricados por fundición
centrífuga [7]
3. Ventajas frente a las alternativas tradicionales
En la unión directa metal/cerámico
metal/cerámic o en la fabricación de materiales compuestos de matriz
metálica con refuerzos cerámicos (o viceversa) obtenidos por técnicas convencionales de
fundición, pulvimetalurgia, etc., se generan tensiones térmicas en las aplicaciones prácticas a
altas temperaturas.. Los esfuerzos térmicos provocan la formación de grietas, pérdida de
adherencia en la hetero-interfa
interfase y con frecuencia el rompimiento de la capa cerámica. La
ventaja de la unión metal/cerámico
metal/cerámic mediante FGM es la eliminación de los esfuerzos térmicos
mediante la capa intermedia de composición gradual. Un material con función gradiente posee
de forma simultánea una elevada resistencia al calor y la tenacidad suficiente para detener la
propagación de grietas.
4. Referencias
[1] Hui-Shen
Shen Shen. Functionally Graded Materials. Nonlinear Analysis
ysis of Plates and Shells. CRC
Press Taylor & Francis Group, 2009, 266 págs.
[2] Y. Miyamoto, W.A. Kaisser, B.H. Rabin, A. Kawasaki, R.G. Ford. Functionally Graded
Materials: Design, Processing and Applications. Kluwer Academic
Academic Publishers, 1999, 330 págs.
[3] Jonsson, Daniel. Microstructure and Mechanical Properties of an Alumina/Zirconia
functionally Graded Material Prepared by Electrophoretic Deposition. Master thesis (pre(pre
Bologna period), Universidad Politécnica de Cataluña,
Catalu 2005.
[4] Walter Lengauera, Klaus Dreyerb. Functionally graded hardmetals. Journal of Alloys and
Compounds 338 (2002) 194–212.
212.
[5] http://www.mtse.unt.edu/AMM/AppBased.html
[6] http://www.toto.co.jp/E_Cera/lampparts/fgm_electrode.htm
[7] http://w3rrlt.csir.res.in/lmac/ver1.0_mm_lmac_technologies.htm
http://w3rrlt.csir.res.in/lmac/ver1.0_mm_lmac_te
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