Desarrollo y fabricación de materiales compuestos de matriz de aluminio y recubrimientos obtenidos mediante procesado láser

Abstract

El presente trabajo de investigación tiene como motivación el desarrollo de materiales que puedan sustituir los tradicionalmente usados en componentes de vehículos con la finalidad de reducir el peso de los mismos sin detrimento de las propiedades mecánicas y tribológicas. Los materiales desarrollados fueron, por un lado, materiales compuestos de matriz de aluminio y refuerzo cerámico, Al/SiC, fabricados a partir de materias primas comerciales y materiales compuestos de matriz de aluminio y refuerzo cerámico Al/AlN, cuya matriz se obtenía a partir de aleaciones de aluminio comerciales y cuyo refuerzo es generado in situ durante el propio proceso de fabricación. El método de fabricación de los materiales Al/AlN in situ consiste en hacer pasar una aleación de aluminio en forma de polvo junto a gas de nitrógeno, a través de un haz láser de manera que las temperaturas alcanzadas sean tal que el nitrógeno se disocie y reaccione con el aluminio dando lugar a la formación de AlN. Se evaluó la distribución de temperaturas alcanzada por las partículas durante el proceso de fabricación con el fin de analizar el mecanismo de reacción. Además se encontró una relación con la estructura atómica de las partículas de AlN generadas y la temperatura alcanzada por éstas durante su fabricación. Se analizaron diversas alternativas de fabricación, por un lado (1) la fabricación de recubrimientos de material compuesto Al/SiC y Al/ AlN in situ sobre aleaciones ligeras y por otro lado (2), el desarrollo de componentes de material compuesto mediante fabricación aditiva y pulvimetalurgia. Se analizó la fabricación de recubrimientos de material compuesto (Al/SiC y Al/AlN in situ) sobre aleaciones ligeras (AA6082 y ZE41) mediante la técnica de laser cladding. El uso de un haz láser como fuente de energía permite la obtención de recubrimientos libres de porosidad, bien adheridos y con una mínima dilución y distorsión térmica del sustrato, pero para ello ha sido necesario en primer lugar, el análisis y optimización de los parámetros de control de proceso (potencia del haz laser, velocidad de barrido, altura focal, entre otros) para cada tipo de sustrato y de recubrimiento. El Al/SiC es un material de referencia debido a sus propiedades, sin embargo, a las elevadas temperaturas que tiene lugar el proceso de fabricación por laser cladding el Al reacciona con el SiC dando lugar a la formación de Al4C3 de carácter higroscópico. Se llevaron a cabo dos estrategias diferentes con el fin de evitar dicha reactividad. Por un lado la generación de una capa protectora sobre las partículas de SiC de manera que se evitara su contacto directo con el aluminio fundido, no tuvo éxito, debido a que dicha capa protectora se fracturaba debido a los extremados ciclos térmicos de fusión-solidificación soportados durante el proceso de fabricación. Por otro lado, se llevó a cabo el aditamento de aleantes (silicio y titanio) a la matriz del material compuesto de manera que inhibieran o evitaran la reacción entre el Al y el SiC. Esta estrategia si constituyó una solución viable para el problema de la formación de Al4C3 (fue necesario un porcentaje en peso del 40 % para el silicio y del 20 % para el titanio). En el caso de los recubrimientos con titanio se observó la formación de intermetálicos Ti-Si y Ti-Al. Todos los recubrimientos fabricados fueron caracterizados microestructural y mecánicamente de manera que fue posible relacionar la microestructura obtenida con las propiedades de adhesión, dureza y desgaste. Así mismo se analizó el mecanismo de avance de grieta y el comportamiento a corrosión. Si bien los recubrimientos obtenidos presentan excelentes propiedades mecánicas, es necesario mejorar el comportamiento a corrosión ya que son muy susceptibles a la corrosión localizada. También fueron analizados otros métodos alternativos de fabricación de componentes de material compuesto de matriz metálica, como son la fabricación por pulvimetalurgia y el método de fabricación aditiva laser metal deposition. Las piezas obtenidas se analizaron microestructural y mecánicamente de manera que se demostró que las piezas con refuerzo cerámico tenían mejores propiedades mecánicas que las piezas sin reforzar, y que las piezas fabricadas por el método laser poseían mejores propiedades que las fabricadas por pulvimetalurgia debido a las características obtenidas por el propio proceso de fabricación. Aunque aún es necesario continuar el desarrollo, mejora y análisis de dichos métodos de fabricación.