HIDRURACI N DE TI-6AL-4V

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
HIDRURACIÓN DE TI-6AL-4V
G. Domizzi, M. I. Luppo, M. Ortiz y G. Vigna
U. A. Materiales. CAC. Comisión Nacional de Energía Atómica
Av. del Libertador 8250, 1429, Buenos Aires Argentina, [email protected]
RESUMEN
La fabricación de piezas de Ti o sus aleaciones mediante pulvimetalurgia es una alternativa económica que
permite reemplazar los métodos costosos empleados usualmente. La aleación Ti-6Al-4V tiene amplia aplicación
en las industrias aerospacial, química y médica. El empleo de polvo de la aleación, en lugar de polvos de titanio
puro más aleantes, simplifica aún más el proceso de fabricación. La presencia de V permite la estabilización de
la fase β a temperaturas más bajas y ambos aleantes alteran el diagrama de equilibrio Ti-H. En este trabajo se
analiza en que medida estos efectos influyen en la obtención de polvos de la aleación mencionada a partir del
proceso de hidruración-deshidruración. A pesar de tener una cinética más lenta se pueden producir polvos en
tiempos similares a los encontrados para el Ti grado 2 ya que la distribución de hidruros en la muestra es
uniforme y el material es suficientemente frágil para concentraciones de aproximadamente 0,7 H/Ti.
Palabras Claves: aleaciones de Titanio, hidruración, pulvimetalurgia.
1. INTRODUCCIÓN
Durante muchos años se ha estudiado el rol perjudicial
del H en Ti y sus aleaciones debido a que promueve la
fragilización del material. Sin embargo, concentraciones muy altas de H pueden ser aprovechadas para
producir polvos por medio del método conocido como
hidruración – deshidruración (HDH). La fabricación
de piezas elaboradas por pulvimetalurgia, con estos
materiales, surge de la necesidad de disminuir los
costos de producción. El método tradicional de
elaboración incluye operaciones de forja, laminado y
maquinado de piezas, las cuales constituyen un punto
importante en el alto costo de las mismas.
El método de HDH en Ti consiste en introducir altas
concentraciones de H a temperaturas elevadas. Luego,
a temperatura ambiente, el carácter frágil de los
hidruros precipitados durante el enfriamiento permite
la fácil pulverización del material. Una vez obtenido,
el polvo se deshidrura sometiéndolo a alta temperatura
en alto vacío [1-2].
Como parte de un proyecto de obtención de polvos de
Ti y de sus aleaciones [3], en este trabajo se estudió la
hidruración de la aleación Ti-6Al-4V. Se analizaron
los cambios que se producen durante el proceso en la
velocidad de absorción de hidrógeno y en la
microestructura de la aleación.
2. DESARROLLO DEL TRABAJO
Se empleó una aleación de Ti-6Al-4V de pureza
comercial. El material se refundió en un horno de arco
bajo atmósfera inerte de argón de alta pureza
obteniendo botones de ~ 20 gramos, de los cuales se
extrajeron muestras planas con espesores de 1 a 3 mm.
Las muestras fueron hidruradas durante diferentes
tiempos a fin de alcanzar diferentes concentraciones.
Luego de alcanzada la concentración de hidrógeno
deseada, se enfriaron con aire forzado. La hidruración
se realizó con hidrógeno gaseoso a temperaturas
superiores a 600ºC y presiones del orden de 0,1 MPa.
Se empleó un equipo tipo Sieverts el cual cuenta con
una cámara conectada a un sistema de alto vacío, un
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sistema de inyección de hidrógeno (pureza 99,999) y
un horno instrumentado.
La concentración de hidrógeno absorbido por las
muestras se midió por diferencia de peso antes y
después de la hidruración y por la variación de
presión. A partir de los registros de hidruración en
función del tiempo se calculó el flujo de ingreso del
hidrógeno en las muestras.
Con el objetivo de conocer la microestructura que
presenta el material en el momento de absorber
hidrógeno, una muestra (TT) recibió un tratamiento
térmico similar al de hidruración pero sin ingreso de
hidrógeno.
Figura 2. MEB de la muestra TT.
Todas las muestras se observaron en microscopio
óptico (MO) y electrónico de barrido (MEB). Para ello
se pulieron con cenizas de dicromato de amonio y se
atacaron con reactivo Kroll (50 ml H2O; 3 ml HNO3;
1,5 ml HF).
Se realizó microscopía electrónica de transmisión
(MET) mediante un Phillips CM200 a 200 kV. Las
láminas delgadas se prepararon en un equipo de doble
jet a 50 V con una solución de 55% de metanol, 35%
de butanol y 10% de ácido perclórico a –35ºC.
Se realizaron análisis de difracción de rayos X (DRX)
utilizando radiación de Cu Kα con filtro de Ni,
45kV/40mA.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
La Figura 1 presenta una micrografía óptica del botón
fundido y la Figura 2 una micrografía electrónica
(MEB) de la muestra TT. Ambas muestras presentan
una microestructura similar: placas de fase α
bordeadas por fase β, tal como se corroboró por MET
(Figura 3). En el campo claro de la Figura 3 se
observan hidruros δ en las interfases α/β introducidos
durante la preparación de la lámina delgada.
En la Tabla I se observan los parámetros de red
medidos por DRX en el botón original y en la muestra
TT, los cuales coinciden con los reportados por otros
autores.
Figura 1. Micrografía óptica del botón fundido.
Figura 3. Micrografía TEM del botón fundido.
En la Tabla II se reportan el espesor de las muestras
hidruradas y las concentraciones de H, expresadas en
fracción atómica (H/Ti).
Tabla I. Fases presentes en las muestras sin hidrurar.
MUESTRA PARÁMETROS DE RED (nm)
α (hcp)
β (bcc)
a = 0,29231
a = 0,3224
Botón
c = 0,4664
a = 0,29311
a = 0,3223
TT
c = 0,4668
Malinov et a = 0,2938
a ≅ 0,324
c = (0,4701 – 0,4655)
al [4]
a = 0,321
Fang et al a = 0,293
c = 0,467
[5]
Tabla II. Concentración de hidrógeno y espesor de las
muestras empleadas
MUESTRA ESPESOR CONCENTRACIÓN
(mm)
(H/Ti)
1b
0,9
0,24
1a
1,2
0,7
1d
2,7
0,72
1f
1,0
0,79
1c
1,0
1,15
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El análisis por DRX de la superficie de la muestra con
0,24 H/Ti presenta fase α con los picos ( 10 1 0 ) y
( 10 1 1 ) (que involucran al eje a) ensanchados respecto
del (0002), luego la celda hexagonal presenta micro
deformaciones anisotrópicas mayores en la dirección
del eje a que en la del eje c. No se detectó precipitación de hidruro, con lo cual la deformación de la fase
α es atribuible a la presencia de H atrapado en ella.
Igual que en el material original se detecta un pequeña
fracción de fase β, pero con un parámetro de red mayor debido al H disuelto en ella, tal como fue
reportado por otros autores [5-6] (Tabla III). En la
Figura 4 se muestra una micrografía de la probeta 1b.
Figura 5. Micrografía TEM de la probeta 1f.
es acompañado por un aumento de temperatura.
Mientras que en el Ti puro el flujo de H puede
alcanzar valores del orden de 10-4 g/cm2 s, en la
aleación no supera los 3 x 10-5 g/cm2 s. Luego, en
ambos materiales, la temperatura se estabiliza en el
valor original y el flujo disminuye hasta valores del
orden de 10-7 g/cm2 s.
Figura 4. MO de la muestra 1 b con 0,24 H/Ti.
Para concentraciones de 0,7 H/Ti se detectó la precipitación de hidruro δ, tanto mediante DRX como por
MET (Tabla ·III y Figura 5). La fase β también presenta parámetro de red mayor que en la muestra original. Los picos de la fase α también se encuentran ensanchados, esto se puede atribuir a la deformación introducida en la red por la precipitación de hidruro [7].
Tabla III. Parámetros de red de las muestras
hidruradas.
MUESTRA PARÁMETROS DE RED (nm)
δ (fcc)
α (hcp)
βH (bcc)
0,24
a = 0,2916 0,335
c = 0,4737
0,7
a =0,2875
0,332
0,438
c = 0,468.
Mahajan et
a = 0,2932 0,3374
No
al [6]
c = 0,4676
reportado
Fang [5]
a = 0,293
a = 0,332 0,444
c = 0,467
En semejantes condiciones de presión y temperatura,
el ingreso de hidrógeno en la aleación tiene un
comportamiento similar al observado para el Ti grado
2 [3]. Se encuentra un período inicial de incubación
seguido de un incremento en el flujo de ingreso el cual
En Ti grado 2 se observó la formación de una capa
superficial de fase β. El calor liberado por la
transformación α→β explicaría el calentamiento de la
muestra. Para concentraciones superiores (1,1 H/Ti) se
produce la precipitación de hidruro en la superficie,
dando origen a la formación de una capa δ, aún en
probetas de muy bajo espesor (1 mm). El ingreso de
hidrógeno es limitado, entonces, por la difusión en el
hidruro. Esto explica la disminución registrada en el
flujo. En la aleación, en cambio, para muestras con
concentraciones de H entre 0,7 y 1,1 H/Ti (y espesores
similares a los estudiados para el Ti grado 2), no se
observó formación de capa en la superficie y tienen
una distribución uniforme de hidruros en todo el
espesor (Figuras 6 y 7). En este caso, la fase β
presente en los bordes de las placas α, representa un
camino rápido para la difusión de hidrógeno, ya que
posee estructura bcc, y facilita la uniformidad de la
hidruración [8].
Sin embargo, para alcanzar una concentración de 1,1
H/Ti en la aleación, en un espesor de 1mm, se
requieren del orden de 1000 minutos, lo cual es dos
órdenes de magnitud más lento que en el Ti grado 2.
Esto se debe a que, mientras en el Ti grado 2 el
máximo flujo de ingreso se alcanza para
concentraciones del orden de 0,8 H/Ti en la aleación
esto ocurre a concentraciones de aproximadamente 0,5
H/Ti. Esto podría interpretarse en base a una
concentración más baja para la precipitación de
hidruro en la aleación.
En el Ti-6Al-4V el proceso de hidruración es más
lento, pero la uniformidad en la distribución de
hidruros permite pulverizar fácilmente este material.
A partir de concentraciones de 0,7 H/Ti se pudo
obtener polvo como se observa en la Figura 8.
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4. CONCLUSIONES
ƒ Se obtuvo polvo de hidruro de la aleación Ti-6Al4V a partir de concentraciones de 0,7 H/Ti
ƒ La velocidad de hidruración en la aleación es más
lenta que en el Ti puro.
ƒ En la aleación no se observó formación de capa
de hidruro en la superficie del material
5. REFERENCIAS
[1]
V.A.R. Henriques y C.R.Moreira da Silva, Key
Engin. Mater., 189-191, 2001, pp. 443-448.
[2]
F.H. Froes, D. Eliezer y H.G. Nelson,
“Hydrogen Effects in Materials”, organizado por
TMS, Jackson Lake, 1994, Ed. A.W. Thompson
y N.R. Moody, 1996, pp. 719-733.
[3]
G. Domizzi, M.I. Luppo y G. Vigna, organizado
por SAM-CONAMET, Bariloche, 2003, pp.
143-146.
[4]
S. Malinov, W. Sha, Z. Guo y C.C. Tang, Mater.
Character., 48, 2002, pp. 279-295.
[5]
T.Y. Fang y W.H. Wang, Materials Chemistry
and Physics, 56, 1998, pp. 35-47.
[6]
Y. Mahajan, S. Nadiv, W.R, Kerr, Scripta
Metallurgica, 13, 1997, pp. 695-699.
[7]
A.M. Alvarez, I.M. Robertson y H.K. Birnbaum,
52, 2004, pp. 4161-4175.
[8]
H.G. Nelson, “Hydrogen Effects in Materials”,
organizado por TMS, Jackson Lake, 1994, Ed.
A.W. Thompson y N.R. Moody, 1996, pp. 699717.
Figura 6. Muestra con 0.7 H/Ti. a) MO, b) MEB.
Agradecimientos: A S. Bermúdez por su
colaboración. Este trabajo fue realizado en el marco
del convenio PICT 2000-12-8946.
Figura 7. Muestra con 1,15 H/Ti (MEB).
Figura 8. Polvo obtenido de la muestra con 1,15 H/Ti.