Los compuestos de matriz metálica están en uso o en creación de prototipos para el Transbordador Espacial, aviones comerciales, sustratos electrónicos, bicicletas, automóviles, palos de golf y una variedad de otras aplicaciones. Si bien la gran mayoría son compuestos de matriz de aluminio, un número creciente de aplicaciones requieren las propiedades de matriz de superaleaciones, titanio, cobre, magnesio o hierro.
Al igual que todos los compuestos, los compuestos de matriz de aluminio no son un solo material, sino una familia de materiales cuya rigidez, resistencia, densidad y propiedades térmicas y eléctricas se pueden adaptar. La aleación de matriz, el material de refuerzo, el volumen y la forma del refuerzo, la ubicación del refuerzo y el método de fabricación se pueden variar para lograr las propiedades requeridas. Sin embargo, independientemente de las variaciones, los compuestos de aluminio ofrecen la ventaja de un bajo costo sobre la mayoría de los MMC. Además, ofrecen una excelente conductividad térmica, alta resistencia al cizallamiento, excelente resistencia a la abrasión, operación a altas temperaturas, no inflamabilidad, ataque mínimo de combustibles y disolventes, y la capacidad de ser formados y tratados en equipos convencionales.
Los MMCS de aluminio se producen mediante fundición, metalurgia de polvos, desarrollo in situ de refuerzos y técnicas de prensado de láminas y fibras. Ahora se dispone de productos de alta calidad de forma constante en grandes cantidades, y los principales productores aumentan la producción y reducen los precios. Se aplican en rotores de frenos, pistones y otros componentes automotrices, así como palos de golf, bicicletas, componentes de maquinaria, sustratos electrónicos, ángulos y canales extruidos y una amplia variedad de otras aplicaciones estructurales y electrónicas.
Los compuestos de superaleación reforzados con fibras de aleación de tungsteno se están desarrollando para componentes en motores de turbina a reacción que operan a temperaturas superiores a 1,830 °F.
Los compuestos de grafito/cobre tienen propiedades adaptables, son útiles para altas temperaturas en el aire y proporcionan excelentes características mecánicas, así como una alta conductividad eléctrica y térmica. Ofrecen un procesamiento más fácil en comparación con el titanio y una densidad más baja en comparación con el acero. Los superconductores dúctiles se han fabricado con una matriz de cobre y filamentos superconductores de niobio-titanio. El cobre reforzado con partículas de tungsteno o partículas de óxido de aluminio se utiliza en disipadores de calor y envases electrónicos.
El titanio reforzado con fibras de carburo de silicio está en desarrollo como material de piel para el plano Aeroespacial Nacional. Los aceros inoxidables, aceros para herramientas e Inconel se encuentran entre los materiales de matriz reforzados con partículas de carburo de titanio y fabricados en anillos de extracción y otros componentes resistentes a la corrosión y altas temperaturas.
En comparación con los metales monolíticos, los MMC tienen:
- Relaciones de resistencia a densidad más altas
- Relaciones de rigidez a densidad más altas
- Mejor resistencia a la fatiga
- Mejores propiedades de temperatura elevada
- Higher Mayor resistencia
- rate Menor tasa de fluencia
- Coeficientes más bajos de expansión térmica
- Mejor resistencia al desgaste
Las ventajas de MMCs sobre los compuestos de matriz polimérica son:
- Capacidad de temperatura más alta
- Resistencia al fuego
- Rigidez y resistencia transversales más altas
- Sin absorción de humedad
- Conductividades eléctricas y térmicas más altas
- Mejor resistencia a la radiación
- Sin desgasificación
- Fabricabilidad de MMCS reforzados con bigotes y partículas con equipos de metalurgia convencionales.
Algunas de las desventajas de los MMC en comparación con los metales monolíticos y los compuestos de matriz polimérica son:
- Mayor costo de algunos sistemas de materiales
- Tecnología relativamente inmadura
- Métodos complejos de fabricación para sistemas reforzados con fibra (excepto para fundición)
- Experiencia de servicio limitada
Se han probado numerosas combinaciones de matrices y refuerzos desde que comenzó el trabajo en MMC a finales de la década de 1950. La tecnología MMC se encuentra todavía en las primeras etapas de desarrollo, y sin duda surgirán otros sistemas importantes.
Refuerzos: Los refuerzos MMC se pueden dividir en cinco categorías principales: fibras continuas, fibras discontinuas, bigotes, partículas y cables. Con la excepción de los alambres, que son metales, los refuerzos generalmente son cerámicos.
Las fibras continuas clave incluyen boro, grafito (carbono), alúmina y carburo de silicio. Las fibras de boro se fabrican por deposición química de vapor (CVD) de este material en un núcleo de tungsteno. También se han utilizado núcleos de carbono. Estos monofilamentos relativamente gruesos están disponibles en diámetros de 4,0, 5,6 y 8,0 mil. Para retardar las reacciones que pueden tener lugar entre el boro y los metales a alta temperatura, a veces se utilizan recubrimientos de fibra de materiales como carburo de silicio o carburo de boro.
Los monofilamentos de carburo de silicio también se fabrican mediante un proceso CVD, utilizando un núcleo de tungsteno o carbono. Un hilo multifilamento japonés, designado como carburo de silicio por su fabricante, también está disponible comercialmente. Este material, sin embargo, hecho por pirólisis de fibras precursoras organometálicas, está lejos del carburo de silicio puro y sus propiedades difieren significativamente de las del carburo de silicio monofilamento.
Las fibras continuas de alúmina están disponibles en varios proveedores. Las composiciones químicas y las propiedades de las diversas fibras son significativamente diferentes. Las fibras de grafito están hechas de dos materiales precursores, poliacrilonitrilo (PAN) y brea de petróleo. Se están realizando esfuerzos para fabricar fibras de grafito a partir de alquitrán a base de carbón. Fibras de grafito con una amplia gama de resistencias y módulos están disponibles.
Los principales refuerzos de fibra discontinua en este momento son alúmina y alúmina-sílice. Ambos fueron desarrollados originalmente como materiales aislantes. El material principal del bigote es el carburo de silicio. El principal producto comercial de los Estados Unidos se fabrica por pirólisis de cáscaras de arroz. El carburo de silicio y el carburo de boro, los refuerzos de partículas clave, se obtienen de la industria de abrasivos comerciales. Las partículas de carburo de silicio también se producen como subproducto del proceso utilizado para hacer bigotes de este material.
Se han utilizado varios alambres metálicos, incluidos tungsteno, berilio, titanio y molibdeno, para reforzar matrices metálicas. Actualmente, los refuerzos de alambre más importantes son el alambre de tungsteno en superaleaciones y materiales superconductores que incorporan niobio-titanio y niobio-estaño en una matriz de cobre. Los refuerzos citados anteriormente son los más importantes en este momento. Muchos otros se han probado en las últimas décadas, y otros, sin duda, se desarrollarán en el futuro.
Materiales de matriz y compuestos clave: Se han utilizado numerosos metales como matrices. Las más importantes han sido las aleaciones y superaleaciones de aluminio, titanio, magnesio y cobre.
Los sistemas MMC más importantes son:
- de Aluminio de la matriz
- fibras Continuas: el boro, carburo de silicio, alúmina, grafito
- fibras Discontinuas: alúmina alúmina-sílice
- Bigotes: carburo de silicio
- Partículas: carburo de silicio, boro, carburo de
- matriz de Magnesio
- fibras Continuas: grafito, alúmina
- Bigotes: carburo de silicio
- Partículas: carburo de silicio, boro, carburo de
- la matriz de Titanio
- fibras Continuas: carburo de silicio, recubierto de boro
- Partículas: carburo de titanio
- Matriz de cobre
- Fibras continuas: grafito, carburo de silicio
- Alambres: niobio-titanio, niobio-estaño
- Partículas: carburo de silicio, carburo de boro, carburo de titanio.
- Matrices de superaleación
- Alambres: tungsteno
Características y consideraciones de diseño: Las propiedades mecánicas superiores de los MMC impulsan su uso. Una característica importante de los MMCS, sin embargo, y que comparten con otros compuestos, es que mediante una selección adecuada de materiales de matriz, refuerzos y orientaciones de capa, es posible adaptar las propiedades de un componente para satisfacer las necesidades de un diseño específico.
Por ejemplo, dentro de límites amplios, es posible especificar resistencia y rigidez en una dirección, coeficiente de expansión en otra, y así sucesivamente. Esto rara vez es posible con materiales monolíticos.
Los metales monolíticos tienden a ser isotrópicos, es decir, a tener las mismas propiedades en todas las direcciones. Sin embargo, algunos procesos como el laminado pueden impartir anisotropía, de modo que las propiedades varían con la dirección. El comportamiento tensión-deformación de los metales monolíticos suele ser de plástico elástico. La mayoría de los metales estructurales tienen ductilidad y resistencia a la fractura considerables.
La amplia variedad de MMCS tiene propiedades que difieren dramáticamente. Los factores que influyen en sus características incluyen:
- Propiedades de refuerzo, forma y disposición geométrica
- Fracción de volumen de refuerzo
- Propiedades de la matriz, incluidos los efectos de porosidad
- Propiedades de interfaz de refuerzo-matriz
- Tensiones residuales derivadas de la historia térmica y mecánica del compuesto
- Posible degradación de la armadura resultante de reacciones químicas a altas temperaturas y daños mecánicos por procesamiento, impacto, etc.
Los MMCS reforzados con partículas, como los metales monolíticos, tienden a ser isotrópicos. La presencia de refuerzos frágiles y quizás de óxidos metálicos, sin embargo, tiende a reducir su ductilidad y resistencia a la fractura. El desarrollo continuo puede reducir algunas de estas deficiencias.
Las propiedades de los materiales reforzados con bigotes dependen en gran medida de su orientación. Los bigotes orientados al azar producen un material isotrópico. Sin embargo, procesos como la extrusión pueden orientar los bigotes, lo que resulta en propiedades anisotrópicas. Los bigotes también reducen la ductilidad y la resistencia a la fractura.
MMCs reforzados con fibras alineadas tienen propiedades anisotrópicas. Son más fuertes y rígidos en la dirección de las fibras que perpendiculares a ellas. La resistencia transversal y la rigidez de los MMCS unidireccionales (materiales que tienen todas las fibras orientadas paralelas a un eje), sin embargo, son con frecuencia lo suficientemente grandes para su uso en componentes como refuerzos y puntales. Esta es una de las principales ventajas de los MMC sobre los PMC, que rara vez se pueden usar sin refuerzo transversal.
Debido a que el módulo y la resistencia de las matrices metálicas son significativos con respecto a los de la mayoría de las fibras de refuerzo, su contribución al comportamiento de los compuestos es importante. Las curvas de esfuerzo-deformación de las MMCs a menudo muestran una no linealidad significativa como resultado del rendimiento de la matriz.
Otro factor que tiene un efecto significativo en el comportamiento de los metales reforzados con fibra es la frecuentemente gran diferencia en el coeficiente de expansión entre los dos componentes. Esto puede causar grandes tensiones residuales en los compuestos cuando se someten a cambios de temperatura significativos. De hecho, durante el enfriamiento de las temperaturas de procesamiento, las tensiones térmicas de la matriz a menudo son lo suficientemente severas como para causar rendimiento. También se pueden producir grandes tensiones residuales mediante carga mecánica.
Aunque las MMC fibrosas pueden tener curvas de tensión-deformación que muestran cierta no linealidad, son materiales esencialmente frágiles, al igual que las PMC. En ausencia de ductilidad para reducir las concentraciones de tensión, el diseño de la junta se convierte en una consideración crítica del diseño. Se han desarrollado numerosos métodos de unión de MMCS, incluyendo uniones metalúrgicas y poliméricas y sujetadores mecánicos.
Métodos de fabricación: Los métodos de fabricación son una parte importante del proceso de diseño para todos los materiales estructurales, incluidos los MMCS. Se está llevando a cabo una labor considerable en esta esfera crítica. Parece probable que se produzcan mejoras significativas en los procesos existentes y que se desarrollen otros nuevos.
Los métodos actuales se pueden dividir en dos categorías principales, primaria y secundaria. Los métodos de fabricación primaria se utilizan para crear el MMC a partir de sus componentes. El material resultante puede estar en una forma cercana a la configuración final deseada, o puede requerir un procesamiento adicional considerable, llamado fabricación secundaria, como conformado, laminado, unión metalúrgica y mecanizado. Los procesos utilizados dependen del tipo de armadura y matriz.
Una consideración crítica son las reacciones que pueden ocurrir entre refuerzos y matrices durante el procesamiento primario y secundario a las altas temperaturas requeridas para fundir y formar metales. Estos imponen limitaciones a los tipos de componentes que pueden combinarse mediante los diversos procesos. A veces, los recubrimientos de barrera se pueden aplicar con éxito a los refuerzos, lo que permite combinarlos con matrices que de otro modo serían demasiado reactivas. Por ejemplo, la aplicación de un recubrimiento como el carburo de boro permite el uso de fibras de boro para reforzar el titanio. Las reacciones potenciales entre matrices y refuerzos, incluso los revestidos, también son un criterio importante para evaluar las temperaturas y los períodos de tiempo correspondientes a los que se pueden someter MMCS en servicio.
Fibras de monofilamento de diámetro relativamente grande, como boro y carburo de silicio, se han incorporado a matrices metálicas presionando en caliente una capa de fibras paralelas entre láminas para crear una cinta monocapa. En esta operación, el metal fluye alrededor de las fibras y se produce la unión por difusión. El mismo procedimiento se puede utilizar para producir laminados unidos por difusión con capas de fibras orientadas en direcciones específicas para cumplir con los requisitos de rigidez y resistencia de un diseño en particular. En algunos casos, los laminados se producen mediante cintas monocapa de prensado en caliente en lo que se puede considerar una operación secundaria.
Las cintas monocapa también se producen rociando plasmas metálicos sobre fibras colimadas, seguidas de prensado en caliente. Las formas estructurales se pueden fabricar por fluencia y formación superplástica de laminados en una matriz. Un proceso alternativo es colocar fibras y láminas no adheridas en un troquel y presionar en caliente el ensamblaje.
Los puntales de boro / aluminio utilizados en el transbordador espacial se fabrican a partir de láminas monocapa envueltas alrededor de un mandril y prensadas isostáticamente en caliente para unir por difusión las capas de lámina y, al mismo tiempo, para unir por difusión el laminado compuesto a los accesorios finales de titanio.
Los compuestos se pueden hacer infiltrando metal líquido en una tela o configuración fibrosa preestablecida llamada preforma. Con frecuencia, se utilizan materiales aglutinantes cerámicos u orgánicos para mantener las fibras en su posición. Este último se quema antes o durante la infiltración. La infiltración se puede llevar a cabo bajo vacío, presión o ambos. La infiltración por presión, que promueve la humectación de las fibras por la matriz y reduce la porosidad, a menudo se denomina fundición por compresión.
Los MMC de fundición ahora ofrecen de forma consistente una forma de red o red-red, rigidez y resistencia mejoradas y compatibilidad con técnicas de fabricación convencionales. También tienen un costo consistentemente más bajo que los producidos por otros métodos, están disponibles en una amplia gama de fabricantes y ofrecen estabilidad dimensional en piezas grandes y pequeñas.
Por ejemplo, Duralcan ha desarrollado su tecnología de «mezcladora de helados» y controles de proceso hasta el punto de producir hasta 25 millones de libras al año de palanquillas compuestas de aluminio. La fundición de inversión se ha modificado en Cercast para moldear palanquillas Duralcan en piezas complejas con forma de red. La fundición a presión produce formas de red con propiedades excepcionales en Alcoa, mientras que la infiltración sin presión se utiliza en Lanxide Corp.para fabricar componentes con forma de red.
En la actualidad, el método más común utilizado para hacer compuestos de grafito/aluminio y grafito/magnesio es por infiltración. El hilo de grafito se pasa primero a través de un horno para quemar cualquier dimensionamiento que se haya aplicado. A continuación, pasa por un proceso CVD que aplica un revestimiento de titanio y boro que promueve la humectación de la matriz. Luego pasa inmediatamente a través de un baño o fuente de metal fundido, produciendo un haz infiltrado de fibras conocido como «alambre».»Las placas y otras formas estructurales se producen en una operación secundaria colocando los cables entre las láminas y presionándolos, como se hace con los monofilamentos. El desarrollo reciente de recubrimientos» estables al aire «permite el uso de otros procesos de infiltración, como la fundición, eliminando la necesidad de» cables » como paso intermedio. Se están elaborando otros enfoques.
Un método de fabricación secundario particularmente importante para los compuestos de matriz de titanio es la unión de formación/difusión superplástica (SPF/DB). Para reducir los costos de fabricación, se están desarrollando procesos continuos como la pultrusión y la unión por rollo caliente.
Se utilizan tres métodos básicos para fabricar MMCS reforzados con bigotes y partículas. Dos utilizan metales en polvo; el otro utiliza un enfoque de metal líquido, cuyos detalles son de propiedad exclusiva.
Los dos procesos de polvo-metal difieren principalmente en la forma en que se mezclan los componentes. Uno utiliza un molino de bolas, el otro emplea un líquido para ayudar a la mezcla, que posteriormente se elimina. Las mezclas se prensan en caliente en palanquillas.
Los procesos secundarios son similares a los de los metales monolíticos, incluidos el laminado, la extrusión, el hilado, la forja, el conformado por fluencia y el mecanizado. Esto último plantea algunas dificultades porque los refuerzos son muy duros.
