Aportaciones

http://ocw.upm.es/expresion-grafica-en-la-ingenieria/ingenieria-grafica-metodologias-de-diseno-para-proyectos/Teoria/LECTURA_COMPLEMENTARIA/MATERIALES/materialescompuestos.pdf

http://www.aemac.org/html/revistas.htm

http://www.youtube.com/watch?v=0Wmnk3uNLbI

http://www.youtube.com/watch?v=wo_AgOkoIYI

Unidad IV. MATERIALES COMPUESTOS, BIOMATERIALES Y NANOMATERIALES (apuntes)

4.1 DEFINICION

En ciencia de materiales reciben el nombre de materiales compuestos aquellos materiales que se forman por la unión de dos materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad. Los materiales son compuestos cuando cumplen las siguientes características:

• Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.
• Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.
• Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).
• No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.

Estos materiales nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste, propiedades éstas que rara vez se dan juntas.

A pesar de haberse obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo, como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.

La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos, como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.

Estructura

Aunque existe una gran variedad de materiales compuestos, en todos se pueden distinguir las siguientes partes:

• Agente reforzante: es una fase de carácter discreto y su geometría es fundamental a la hora de definir las propiedades mecánicas del material.
• Fase matriz o simplemente matriz: tiene carácter continuo y es la responsable de las propiedades físicas y químicas. Transmite los esfuerzos al agente reforzante. También lo protege y da cohesión al material.

BIOMATERIALES

Los biomateriales se pueden definir como materiales biológicos comunes tales como piel, madera, o cualquier elemento que remplace la función de los tejidos o de los órganos vivos. En otros términos, un biomaterial es una sustancia farmacológicamente inerte diseñada para ser implantada o incorporada dentro del sistema vivo.

Los biomateriales se implantan con el objeto de remplazar y/o restaurar tejidos vivientes y sus funciones, lo que implica que están expuestos de modo temporal o permanente a fluidos del cuerpo, aunque en realidad pueden estar localizados fuera del propio cuerpo, incluyéndose en esta categoría a la mayor parte de los materiales dentales que tradicionalmente han sido tratados por separado.

Debido a que los biomateriales restauran funciones de tejidos vivos y órganos en el cuerpo, es esencial entender las relaciones existentes entre las propiedades, funciones y estructuras de los materiales biológicos, por lo que son estudiados bajo tres aspectos fundamentales: materiales biológicos, materiales de implante y la interacción existente entre ellos dentro del cuerpo. Dispositivos como miembros artificiales, amplificadores de sonido para el oído y prótesis faciales externas, no son considerados como implantes.

Los biomateriales, sustancias naturales o sintéticas cuya misión es reemplazar una parte o alguna función de nuestro organismo, de forma segura y fisiológicamente aceptable, se pueden clasificar de diversas formas: según su composición química, en biometales, biopolímeros, biocerámicos, biocompuestos y semiconductores; según su origen, en naturales y sintéticos.

Otra forma más práctica de clasificar los son los dispositivos implantables, los cuales se implantan un tiempo en el cuerpo humano para sustituir una función, y los no implantables, entre los cuales se incluyen sondas y catéteres, entre otros.

PROPIEDADES REQUERIDAS EN LOS BIOMATERIALES

Las características exigidas por el cuerpo humano para una articulación artificial hacen que las propiedades requeridas en los materiales utilizados en prótesis sean muy restrictivas. Por esta razón, se requieren materiales biocompatibles; es decir, materiales que produzcan un grado mínimo de rechazo en el cuerpo humano. Los fluidos corporales son altamente corrosivos, y las aleaciones metálicas deben ser resistentes a la corrosión.

Otro aspecto que se debe considerar son las propiedades mecánicas, las cuales son de suma importancia en la selección de materiales para prótesis, debido a que el sistema músculo-esquelético, junto con el movimiento, promueve fuerzas considerables para las prótesis.

Debido a que las superficies de la articulación están en contacto, y tienen un movimiento relativo entre ellas, las prótesis están sujetas a desgaste. Una de las consecuencias del desgaste en las superficies de los implantes es la generación de partículas de desecho. La acumulación de estas partículas en los tejidos circundantes de la articulación puede causar inflamación y dolor.

Además de lidiar con las condiciones mencionadas anteriormente, otro aspecto que se debe considerar en la selección de materiales para implantes quirúrgicos es que sus componentes sean ligeros, de bajo costo, y sus propiedades, estables a través del tiempo.

Idealmente, una prótesis implantada debe funcionar satisfactoriamente durante toda la vida del paciente, de manera que no sea necesario su reemplazo. Sin embargo, en los diseños actuales, la vida de las prótesis varía entre 10 y 15 años para el caso de la prótesis total de cadera, por lo que existe un gran interés en la comunidad científica por desarrollar prótesis de mayor durabilidad para la creciente longevidad de que actualmente goza la población.

 BIOMATERIALES METÁLICOS

En la década de 1920, Reiner Erdle y Charles Orange, quienes unieron sus conocimientos de médico dentista y metalurgia respectivamente, desarrollaron la aleación Vitallium, que fue el primer biomaterial metálico aleado con características mecánicas de biocompatibilidad y de resistencia a la corrosión, aceptables para aplicaciones en prótesis quirúrgicas. Esta aleación de cobalto (65 por ciento de Co, 30 por ciento de Cr y 5 por ciento de Mo), fue el punto de partida para una serie de investigaciones multidisciplinarias en el desarrollo de nuevas aplicaciones ortopédicas, como clavos, tornillos y fijadores de huesos fracturados, además de varios tipos de implantes de reemplazo articular, como cadera, rodilla, hombro, codo, entre otras.

Posteriormente, en la década de 1930 se desarrolla el acero inoxidable grado quirúrgico 316LQ, que es un acero con bajo contenido de carbono, 18 por ciento de cromo, 8 por ciento de níquel, y 2 por ciento de molibdeno.

Otras aleaciones que han tomado gran importancia en aplicaciones aeronáuticas y aerospaciales, así como en aplicaciones médicas para implantes quirúrgicos, son las de base titanio, especialmente la aleación Ti6Al4V, la cual presenta ventajas superiores en peso, propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión con respecto a las aleaciones base cobalto y acero inoxidable. Sin embargo, tiene una resistencia baja al desgaste, así como un alto costo. Esta aleación ha sido modificada, intercambiando el Vanadio por el Niobio, lo cual ha dejado una notable mejora en el índice de biocompatibilidad.

Por otra parte, con el objeto de incrementar la resistencia al desgaste, se ha implementado el uso de recubrimientos duros en cabezas femorales, aplicados mediante técnicas de depositación física en fase vapor (PVD), además de utilizar materiales cerámicos como alúmina (Al2O3) o circonia (ZrO2).

 BIOMATERIALES POLIMÉRICOS

Existe una gran variedad de polímeros biocompatibles: los polímeros naturales, como por ejemplo la celulosa, glucosalina, etcétera, y polímeros sintéticos, como, por ejemplo, polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), PVC, nylon, silicona, etcétera. El desarrollo de los biopolímeros en las aplicaciones incluye prótesis faciales, partes de prótesis de oído, aplicaciones dentales; marcapasos, riñones, hígado y pulmones.

Películas delgadas y capas de PVC se utilizan en bolsas de almacenamiento y empaquetamiento quirúrgico de sangre y otras soluciones; partes de esófago, segmentos de arterias, suturas biodegradables, partes de implantes articulares en dedos, acetábulo de cadera y rodilla, entre otros.

 BIOMATERIALES CERÁMICOS

Los biocerámicos son compuestos químicos complejos que contienen elementos metálicos y no metálicos. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, son generalmente, duros y frágiles. Además de tener un alto punto de fusión y una baja conductividad térmica y eléctrica, los cerámicos se consideran resistentes al desgaste. Los principales bioceramicos son alúmina, zirconia, hidroxyapatita, porcelanas, vidrios bioactivos, etcétera. Sus principales aplicaciones están en el sistema óseo, con todo tipo de implantes y recubrimientos en prótesis articulares; también se utilizan en aplicaciones dentales, en válvulas artificiales, cirugía de la espina dorsal y reparaciones craneales.

ALGUNAS APLICACIONES DE LOS BIOMATERIALES

La prótesis total de cadera

La solución para este tipo de fracturas, y enfermedades como la artritis, entre otras, puede ser una prótesis total de cadera vista en el inciso b). Esta articulación está formada por una copa acetabular (UHMWPE, Co-Cr, Al2O3, ZrO2), la cual se fija en la pelvis y sirve como asiento para una esfera cuyo vástago (Co-Cr, 316LQ, Ti6Al4V) es empotrado en el fémur. Los dos elementos artificiales restauran el sistema articular tipo rótula, con el cual el paciente puede volver a caminar.

Implante de rodilla

El reemplazo de rodilla es uno de los avances más importantes en la cirugía ortopédica, y fue realizado por primera vez en el año 1968.

Válvulas de corazón

El corazón es una parte vital de la anatomía humana, dado que es una bomba de recirculación de la sangre a través del cuerpo. Las válvulas del corazón permiten que éste bombee sangre eficientemente. Estas válvulas son propensas a fallar por enfermedades; sin embargo, pueden ser sustituidas por las válvulas prostéticas artificiales.

Las válvulas mecánicas son excelentes en términos de durabilidad, pero son obstaculizadas por su tendencia a coagular la sangre. Las válvulas biológicas son de menor durabilidad y se deben sustituir periódicamente.

Implantes dentales

El surgimiento de los implantes dentales ha influenciado grandes cambios en la odontología clínica en la segunda mitad del siglo XX.

Mediante técnicas quirúrgicas específicas, es posible reemplazar piezas dentales perdidas, por otras sintéticas, con las mismas funciones y gran duración.

La prótesis consta de tres partes fundamentales, llamadas corona, perno o muñón, que soportará a la corona y el implante propiamente dicho que reemplazará la raíz del diente.

Espina dorsal

El primer procedimiento quirúrgico por un disco herniado torácico fue reportado por Middleton y Teacher en 1911.Desde los años 1930 hasta la actualidad, se emplea el material metálico en prótesis en las cirugías.

En 1966 se hizo la primer cirugía con prótesis, substituyendo un disco cervical.

NANOMATERIALES

Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión. A pesar del hecho de que no hay consenso sobre el tamaño mínimo o máximo de un nanomaterial, algunos autores restringen su tamaño de 1 a 100 nm, una definición lógica situaría la nanoescala entre la microescala (1 micrómetro) y la escala atómica/molecular (alrededor de 0.2 nanómetros).

Las nuevas propiedades de los nanomateriales es el sujeto de la investigación nanomecánica. Sus actividades catalíticas revelan novedosas propiedades en la interacción con biomateriales.

Los materiales reducidos a la nanoescala pueden súbitamente mostrar propiedades muy diferentes a las que exhiben en una macroescala, posibilitando aplicaciones únicas. Por ejemplo, sustancias opacas se vuelven transparentes (cobre); materiales inertes se transforman en catalizadores (platino); materiales estables se transforman en combustibles (aluminio); sólidos se vuelven líquidos a temperatura ambiente (oro); aislantes se vuelven conductores (silicona). Materiales como el oro, que es químicamente inerte en escalas normales, pueden servir como catalizadores a nanoescalas. Mucha de la fascinación que produce la nanotecnología proviene de estos peculiares fenómenos cuánticos y de superficie que la materia exhibe en nanoescala.

Los nanomateriales pueden ser subdivididos en nanopartículas, nanocapas y nanocompuestos. El enfoque de los nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arriba a las estructuras y efectos funcionales de forma que la construcción de bloques de materiales son diseñados y ensamblados de forma controlada.

Un reciente informe de Small Times predice un fuerte crecimiento de los denominados nanomateriales. En el mismo se comentan los diferentes tipos existentes en la actualidad (tales como las nanoarcillas para reforzar plásticos) o los nanotubos de carbono para agregar conductividad a varios materiales.

Muchos de estos avances los están llevando a cabo empresas norteamericanas pequeñas y medianas en colaboración con empresas líderes.

Existen tres categorías básicas de nanomateriales desde el punto de vista comercial y desarrollo: óxidos metálicos, nanoarcillas y nanotubos de carbono. Los que más han avanzado desde el punto de vista comercial son las nanopartículas de óxido metálico.

4.2 PROCESAMIENTO DE MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTICULAS (MCP) Y CON FIBRAS (MCF) POR METODOS CONVENCIONALES COMBINACION DE MATERIALES OXIDICOS-OXIDICOS Y OXIDOS-NO OXIDICOS

•     COMPUESTOS DE MATRIZ CERAMICA
•     COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMERICA
•     COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA

Materiales Compuestos reforzados con partículas.

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

Tipos: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas propiamente dichas.

Compuestos endurecidos por dispersión El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 i 2500 μ). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye inversamente con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termo fluencia es superior a la de los metales y aleaciones.

Sus principales propiedades son:

• La fase es generalmente un óxido duro y estable.
• El agente debe tener propiedades físicas óptimas.
• No deben reaccionar químicamente el agente y la fase.
• Deben unirse correctamente los materiales.

Materiales Compuestos reforzados con fibras.

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

Materiales compuestos estructurales.

Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría y de su diseño. Los más abundantes son los laminares y los llamados paneles sandwich.

Los laminares están formadas por paneles unidos entre si por algún tipo de adhesivo u otra unión. Lo más usual es que cada lámina esté reforzada con fibras y tenga una dirección preferente, más resistente a los esfuerzos. De esta manera obtenemos un material isótropo, uniendo varias capas marcadamente anisótropas. Es el caso, por ejemplo, de la madera contrachapada, en la que las direcciones de máxima resistencia forman entre sí ángulos rectos.

Los paneles sandwich consisten en dos láminas exteriores de elevada dureza y resistencia, (normalmente plásticos reforzados, aluminio o incluso titanio), separadas por un material menos denso y menos resistente, (polímeros espumosos, cauchos sintéticos, madera balsa o cementos inorgánicos). Estos materiales se utilizan con frecuencia en construcción, en la industria aeronáutica y en la fabricación de condensadores eléctricos multicapas.

Ejemplos de materiales compuestos

• Plásticos reforzados con fibra:
• Clasificados por el tipo de fibra:
• Madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina y hemicelulosa)
• Plástico reforzado de fibra de carbono o CFRP o
• Plástico reforzado con vidrio (GRP, GFRP o, informalmente, "fibra de vidrio")
• Clasificados por la matriz:
• Termoplásticos reforzados por fibra larga.
• Termoplásticos tejidos de vidrio.
• Compuestos termoformados o termoestables.

• Compuestos de matriz metálica o MMCs:
• Cermet (cerámica y metal).
• Fundición blanca.
• Metal duro (carburo en matriz metálica)
• Laminado metal-intermetal.
• Compuestos de matriz cerámica:
• Hormigón/Concreto
• Carbono-carbono reforzado (fibra de carbono en matriz de grafito).
• Hueso (matriz ósea reforzada con fibras de colágeno)
• Adobe (barro y paja)
• Compuestos de matriz orgánica/agregado cerámico
• Madreperla o nácar
• Concreto asfáltico

• Madera mejorada
• Contrachapado
• Tableros de fibra orientada (OSB).
• Trex
• Weatherbest (fibra de madera reciclada en matriz de polietileno)
• Pycrete (serrín en matriz de hielo)

4.3 NUEVAS TECNICAS DE COMBINACION INFILTRACION LIQUIDA, OXIDICA,DIRECTA,PROCESO LANXIDE.  TECNICAS DE REACCION IN-SITO

    DEPOSICION DE VAPOR CVD Y CVI, REACCIONES A ALTA TEMPERATURA POR REACCIONES DE AUTOPROGRAMACION  SHS.

Mediante el método denominado “síntesis in situ” se pueden obtener materiales donde las partículas de refuerzo se formen en una íntima relación con las de polímero y garantizando en la mayoría de los  casos; una buena dispersión de la carga en la   matriz de polímero, sin que sea necesario el uso de un modificador de la intercara. Existen diversos  métodos de síntesis in situ para la fabricación de compuestos poliméricos. Entre los más  conocidos podemos destacar: Deposición de vapor, técnica del precursor, método de intercalación  polimerización, polimerización encapsulación, etc. Existe también otro método que puede ser  considerado dentro de la categoría de reacción in situ, y es el que usa energía sónica  para da origen a diversos tipos de materiales. Este procedimiento químico es reseñado como  método de irradiación ultrasónica  y está enmarcado dentro de la rama de la química que se conoce como Sonoquímica.

La técnica de CVD consiste en la reacción de una mezcla de gases en el interior de una cámara de vacío (reactor) para dar lugar a la formación de un material en forma de capa delgada. Los subproductos de la reacción son evacuados hacia el exterior mediante un sistema de alta velocidad de bombeo (bomba 'roots' apoyada con rotatoria).

La  deposición química en fase de vapor (Chemical Vapour Deposition o CVD) se basa en la reacción de una mezcla de gases o vapores químicos, para dar lugar a un producto sólido, generalmente en forma de recubrimiento sobre un substrato, aunque también es posible obtener el material en forma de polvo. La diferencia con las denominadas técnicas de tipo físico, (Physical Vapour Deposition o PVD) estriba en que en este segundo caso no hay reacción química, y las capas se obtienen directamente por condensación en vacío de los vapores procedentes de un material sólido que es calentado hasta la fusión o bombardeado con partículas suficientemente energéticas.

Las técnicas de CVD son conocidas desde hace años aunque, a partir de la década de los 60, han experimentado un desarrollo vertiginoso (1) sobre todo gracias al impulso generado por el desarrollo de la industria microelectrónica. Las capas de silicio epitaxial depositadas a través de la descomposición del silano (SiH4) constituyen quizás el ejemplo más paradigmático. Actualmente, y debido a su gran versatilidad, las diferentes técnicas de CVD constituyen hoy día una de las vías más utilizadas en la obtención de recubrimientos sólidos de mayor implantación industrial (2). Así, mediante CVD es posible sintetizar un gran número de materiales de propiedades muy diversas (metales, semiconductores, aislantes, superconductores, materiales ferroeléctricos y ferromagnéticos, polímeros, etc.), que encuentran una gran variedad de aplicaciones.

Aportaciones U3

http://www.madrimasd.org/blogs/ingenieriamateriales/2012/10/26/672/

http://www.youtube.com/watch?v=QPQAfrfK9nQ

http://www.youtube.com/watch?v=1Ks5SOsXWcE

http://www.youtube.com/watch?v=m-DnY6tBAaA

http://www.youtube.com/watch?v=u9H9a5j1GZw&feature=related

U 3. Superaleaciones (apuntes)

3.1. Aspectos generales

Un superaleación, o   aleación de alto rendimiento, es una aleación que presenta una  excelente  resistencia  mecánica  y  resistencia  a  la  fluencia  a  altas  temperaturas,  buena estabilidad  de  la  superficie,  y  la  corrosión  y  resistencia  a  la  oxidación.    Superaleaciones suelen  tener  una  matriz  con  una  cara  austeníticos  centrado  en  la  estructura  cristalina cúbicos.    Una  base  de  superaleación  elemento  de  aleación  es  generalmente  de  níquel, cobalto  o níquel-hierro.    Superaleación desarrollo ha dependido en gran  medida en  lasindustrias de químicos y la innovación de procesos y ha sido impulsado principalmente por  las  industrias  aeroespacial  y  de  poder. Las  aplicaciones  típicas  se  encuentran  en  la industria  aeroespacial,  de  la  turbina  de  gas  industriales  y  de  la  industria  de  turbinas marinas,  por  ejemplo,  palas  de  la  turbina  para  las  secciones  calientes  de  los  motores  areacción.

Una de las propiedades superaleación más importante es la alta resistencia a la pérdida  de  temperatura.    Otras  propiedades  de  los  materiales fundamentales  son  la  fatiga,  la estabilidad de fase, así como la oxidación y la resistencia a la corrosión.

Aplicaciones

Superaleaciones se utilizan comúnmente en los motores de turbina de gas en las regiones  que  están  sujetas  a  las  altas  temperaturas  que  requieren  de  alta  resistencia,  excelente resistencia a la fluencia, así como la corrosión y resistencia a la oxidación.  En la mayoría de los  motores  de turbina  de esto está en  la  turbina de alta presión,  hojas  de aquí  puede enfrentar  temperaturas  que  se  acercan,  si  no  más  allá  de  su  temperatura  de  fusión. Recubrimientos de barrera térmica (TBCs) desempeñan un papel importante en las hojas que les permite operar en tales condiciones, la protección del material de la base de los efectos   térmicos,   así   como   la   corrosión   y   oxidación.

3.1.1 Superaleaciones base Níquel

Definición y propiedades.

Las superaleaciones contienen grandes cantidades de elementos de aleación con el fin de producir una combinación de alta resistencia a  altas temperaturas,  a la corrosión,  a  las vibraciones  y  a  la  termofluencia  (alta  resistencia  mecánica  a  altas  temperaturas)  a temperaturas superiores a los 1000ºC.

Las  superaleaciones  de  níquel  presentan  un  buen  comportamiento  hasta  los  1000ºC aproximadamente.  Para  temperaturas  mayores  se  suelen  emplear  superaleaciones  de cobalto.

Estructura cristalina.

Las  superaleaciones  de  níquel  presentan  una  microestructura  peculiar,  causante  de  sus  excelentes  propiedades,  con  una  distribución  en  dos  fases,  gamma  (γ)  y  gamma  prima. Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como matriz.(γ´).

Fase    gamma    prima:    dispersión    de    precipitados    ordenados    intermetálicos, responsable    de    la    gran    resistencia    de    las    superaleaciones.    Las    fórmulas estequiométricas de esta fase son:

  Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi).

Aplicaciones de las superaleaciones de níquel.

Debido a sus propiedades, estas aleaciones son empleadas para la construcción de turbinas de  gas  (álabes),  turborreactores  de  avión,  toberas  y  cámaras  de  combustión,  reactores químicos, generadores y prensas de extrusión.

Procesado de superaleaciones de níquel.

Una  superaleación  de  níquel,  normalmente  se  fabrica  fundiendo  una  pieza  de  níquel y agregando cromo y pequeñas cantidades de otros elementos, como el aluminio o el titanio, para  formar  la  fase  gamma  prima.  El cromo  protege  el producto  final  de  la  corrosión, mientras que otros metales como titanio y wolframio, incrementan la dureza. Después la mezcla liquida se enfría, apareciendo una masa de fase gamma de níquel-aluminio.

La  primera  superaleación  de  níquel  fue  la  Nimonic  80,  endurecible  por  precipitación, desarrollada en el año 1941 en Gran Bretaña. Es una solución sólida de níquel con 20% Cr, 2.25  %  Ti,  y  1%  de  Al;  siendo  estos  dos  últimos  metales  útiles  para  la  formación  de precipitados de gamma prima.

Tan  importantes  como  las  propias  aleaciones  son  las  nuevas  técnicas  de  procesado  de metales.  Las  técnicas   de  procesado  posibilitan  que  la  metalurgia  saque  el  máximo provecho de los nuevos conocimientos microestructurales. Estas técnicas permiten fabricar las aleaciones tradicionales de maneras hasta ahora desconocidas, y facilitan la creación de nuevos metales que jamás se hubieran obtenido con las técnicas históricas.

Procesos de endurecimiento empleados en estas aleaciones:

Endurecimiento   por   solución   sólida:   Grandes   adiciones   de   Cr,   Mo   y   W, pequeñas adiciones de Ta, Zr, Nb y B proporcionan el endurecimiento por solución sólida.  Estos  efectos  son  bastante  estables,  actuando  los  bordes  de  grano  como  frenos   en   el   avance   de   las   dislocaciones,   lo   que   provoca   la   resistencia   a   la termofluencia.

Endurecimiento   por   dispersión   de   carburos:   Todas   las   superaleaciones  contienen   pequeñas   cantidades   de   carbono,   que   en   combinación   con   otros elementos aleantes produce una red de finas partículas de carburo muy estables. Estos carburos, tales como TiC, BC, ZrC, TaC, etc., poseen una extraordinaria dureza.

Hastelloy D  (Ni,  10%  Si,  3%  Cu). Es  una  aleación para  moldeo,  fuerte,  tenaz  y extremadamente  dura.  Tiene  una  excelente  resistencia  a  la  corrosión  al  acido sulfúrico.    Difícil    mecanización.    Se    emplea    para    evaporadores,    reactores, canalizaciones y accesorios en la industria química.

3.1.2 Base Cobalto

Base Cobalto

•   Mantienen su resistencia a temperaturas elevadas.
•  Además  de  llevar  metales  refractarios  y  carburos  metálicos,  contienen  niveles elevados de cromo, lo que aumenta la resistencia a la corrosión.
•  Son más fáciles de soldar que otras superaleaciones y se forjan con más facilidad.

Se aplican para fabricar la laboriosa estructura de la cámara de combustión de las  turbinas de gas.

Otras aplicaciones

Industria aeroespacial.

   Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.

Industria marina

  Submarinos

Industria de Procesos químicos.

   Reactores Nucleares.

   Tubos de intercambiadores de calor.

   Turbinas de gas industrial

Industria aeroespacial.

Cuchillas de las turbinas y motor de Cohetes.

Industria marina

Submarinos

Industria de Procesos químicos.

Reactores Nucleares.

Tubos de intercambiadores de calor.

Turbinas de gas industrial.

3.1.3 Base titanio

• La  densidad  es  mucho  menor  que  las  superaleaciones  basadas  en  Co  y  Ni,  sin embargo la resistencia a elevadas temperaturas es bastante menor.
• Hay   materiales   intermetálicos   del   tipo   TiAl   y   Ti3Al,   que   prometen   buenas  prestaciones mecánicas a temperaturas elevadas.

Aplicaciones

     En los últimos diez años se han realizado avances tecnológicos en el desarrollo de modernos   motores  de   turbinas  para  aeroplanos,   dirigibles  y   componentes   de superaleaciones de base níquel.

3.2 Diagramas de equilibrio, microestructura y cristalografía

Tipos de reacciones

Diagrama Cobre-Niquel

Tipos de reacciones

3.3 métodos de elaboración

3.3.1 Fusión

Para incrementar progresivamente la ley o contenido de las superaleaciones sometidas   a fundición, el proceso pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión y Refinación.

Así se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado, se incremente progresivamente hasta 99,5% en el ánodo. De  las  fases  consecutivas,  la  fusión  y  la  conversión  son  las  más  importantes  por  lo determinantes que resultan en el proceso general.

La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él. La  conversión  elimina  el  azufre  y  el  hierro  presentes  en  la  fase  sulfurada,  mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.

Hoy en día el proceso de fundición once etapas:

1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.

2. Secado de concentrados.

3. Tostación parcial de concentrados.

4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.

5. Fusión de concentrados.

6. Limpieza de escorias.

7. Granallado de eje alta ley y escorias.

8. Preparación y manejo de eje de alta ley.

9. Conversión de eje de alta ley.

10. Refinación y moldeo de ánodos.

11. Plantas de limpieza de gases.

Etapas del Proceso

Recepción y manejo de materias primas e insumos:

El proceso se inicia con la recepción y almacenamiento de los fundentes y otros insumos en áreas  especiales  para  el  concentrado.  Estos  materiales,  que  son  transportados  por  vía marítima  o  terrestre,  tienen  un  contenido  de  humedad  que  varía  entre  un  6%  a  8%  y proviene   de   distintas   fuentes   de   abastecimiento.   Se   descargan   mediante   correas transportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daños al medio ambiente.

Un equipo extrae el concentrado desde las camas de almacenamiento hacia el domo de mezcla. La operación normal permite que mientras una de las camas se está llenando, la otra se encuentre descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometría es una semiesfera   metálica  cerrada,   debe   tener  capacidad   suficiente   para   algunos  días  de operación  y  estar  ubicado  en  las  inmediaciones  del  área  de  secado.  El  domo  prepara mediante una correa circular interna una mezcla homogénea de concentrado, para dar la estabilidad operacional requerida por el proceso de fusión.

3.3.2 Solidificación direccional

Solidificación   direccional   es   una   serie   de   medidas   aplicadas   para   controlar   la alimentación   de   bastidores.   Como   la   mayoría   de   metales   y   aleaciones   solidifican, cambiando   del   estado   líquido   al   de   estado   sólido   experimentarán   una   contracción apreciable del volumen. Sin la atención a los principios del control, los objetos que el molde contendrá encogimiento comúnmente llamado interno de los vacíos a “desertan”.

Algunas de las medidas aplicadas son el uso de frialdades, canalizaciones verticales, control de la tarifa que vierte, temperatura que vierte, y el uso de exotérmico materiales.

Con el uso apropiado de las  medidas, como el metal solidifica el interfaz para el límite  entre  el  líquido  y  el  metal sólido  se  mueve  hacia  una  fuente  del  metal adicional de  la alimentación y lejos de la región donde la solidificación comenzó.

Solidificación de los metales

La  solidificación  involucra  el  regreso  del  metal  fundido  al  estado  sólido.  El  proceso  de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.

Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su  punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2.3, conocida como curva de enfriamiento.

La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual  el  calor  latente  de  fusión  del  metal  escapa  fuera  del  molde.  El  tiempo  total  de solidificación  va  desde  el  momento  de  vaciar  el  metal  hasta  su  completa  solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento.

3.4 Comportamiento mecánico

Dureza

Los   resultados   de   las   mediciones   de   dureza   en   las   muestras   sinterizadas   a   1305°C, homogenizadas a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C durante diferentes tiempos se presentan en la Figura.

Figura 5. Dureza de las superaleaciones sinterizadas a 1305°C, homogenizadas

  a 1000 y 1065°C y posteriormente envejecidas a 350°C a diferentes tiempos.

3.5 Oxidación y corrosión

TIPOS DE OXIDACION.

Oxidación lenta

La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosión y

pérdida de brillo.

Oxidación rápida

La   que   ocurre   durante   lo   que   ya   sería   la   combustión,   desprendiendo   cantidades

apreciables de calor, en forma de fuego.

¿QUE ES LA CORROSION?

La corrosión; es definida como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque

electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción

electroquímica (oxidación).

    Corrosión Galvánica

Puede   ocurrir   cuando   metales   distintos   se   unen   eléctricamente   en   presencia   de   un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).

Corrosión uniforme

Es  aquella  corrosión  que  se  produce  con  el  adelgazamiento  uniforme  producto  de  la

pérdida regular del metal superficial.

Corrosión por picaduras

Se produce en zonas de baja corrosión, el  proceso produce unas pequeñas “picaduras” en

el cuerpo que afectan.

3.6  Cambios  en  la  microestructura  durante  su  exposición  a

temperaturas elevadas

Alotropía

El  fenómeno  alotropía  o  polimorfismo  se  presenta  en  los  elementos  y  compuestos  que

existen  en  más  de  una  forma  cristalina,  bajo  diferentes  condiciones  de  temperatura  y

presión Muchos metales industrialmente importantes como:

• Hierro
• Titanio
• Cobalto

Experimentan    transformaciones  lotrópicas    a    elevadas    temperaturas    y    presión atmosférica.

Este fenómeno de  la  alotropía,  se debe  a  que  los átomos que  forman  las  moléculas,  se

agrupan de distintas maneras, provocando características físicas diferentes como:

•   Color
•   Dureza
•   Textura