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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001
919-926
MICROESTRUCTURA Y COMPORTAMIENTO DE ALEACIONES ALSI-MG, REFORZADAS CON INTERMETÁLICOS TITANIOALUMINIO.
M.D. Salvador, N. Martinez, D.J. Busquets.
Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales. Universidad Politécnica de Valencia
Camino de Vera s/n, (46022) Valencia, España.
RESUMEN
La importancia de los materiales compuestos de matriz de aluminio lleva al desarrollo
de nuevos materiales, así como de nuevos procesos de conformado de los mismos. Resulta de
elevado interés, dentro de las investigaciones en este campo, el efecto del proceso de
conformación de estos obtenidos por vía pulvimetalúrgica y extrusión en caliente. Con este
tipo de procesos, se obtiene una distribución de las partículas de refuerzo homogénea, cuya
microestructura se evalúa mediante microscopía óptica (OM) y electrónica de barrido (SEM).
Durante la fabricación y posteriores tratamientos térmicos de solubilización y
endurecimiento por precipitación de segundas fases, se produce un conjunto de reacciones
entre la matriz y el refuerzo que dan lugar a la formación de productos de reacción en la
interface matriz/refuerzo.
Mediante SEM, se pueden estudiar los productos de reacción formados y a través de
energías dispersivas (EDX), se puede analizar su composición.
Es importante conocer las propiedades mecánicas de los compuestos de aluminio y
poder evaluar la influencia de factores tales como el estado de precipitación de la matriz o el
contenido en refuerzo del compuesto en el comportamiento mecánico.
Por otro lado es interesante evaluar el comportamiento frente a la corrosión en las
aplicaciones prácticas de los compuestos de aluminio ya que muchas de ellas son en contacto
con medios agresivos. Para ello se realizan ensayos potenciodinámicos que ponen de
manifiesto las variaciones en los potenciales de corrosión y picaduras de las diferentes
muestras.
Palabras claves
Compuestos de aluminio, TiAl, reactividad matriz/refuerzo, propiedades mecánicas,
corrosión.
INTRODUCCIÓN
Los compuestos de matriz metálica (MMCs) presentan un amplio rango de aplicaciones
en las industrias del automóvil, aerospacial y de componentes para la ingeniería. Ello se debe
fundamentalmente a la excelente combinación de propiedades tales como: alta resistencia
específica, resistencia al desgaste, rigidez, estabilidad térmica así como una alta
conductividad térmica [1].
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Salvador, Martinez, Busquets
Sobre los MMCs, se ha prestado una atención particular sobre la síntesis y
caracterización de los materiales compuestos de matriz de aluminio (AMCs), debido
fundamentalmente al bajo peso de las aleaciones de aluminio y a su facilidad de procesado.
En años recientes el interés se ha centrado en los AMCs reforzados con partículas ya que
además ofrecen prácticamente propiedades isotrópicas en comparación con los AMCs
reforzados con fibras.
La comunidad científica [2], ha estudiado frecuentemente dos tipos de refuerzos (Al2O3
y SiC. Sin embargo, la introducción de nuevos refuerzos en AMCs constituye un activo
campo de investigación para conseguir mejorar las propiedades finales de los AMCs y evitar
algunos de los problemas resultantes de emplear refuerzos cerámicos. El empleo de partículas
intermetálicas, aluminiuros de Ni o Ti, como posibles refuerzos de las aleaciones de aluminio,
fue sugerido por Yamanda y Unakoshi [3] en 1983.
Dos de los mayores obstáculos al empleo de AMCs son su alto coste y la posible
reacción matriz/refuerzo durante el procesado de los AMCs y empleo en servicio a altas
temperaturas. En estos regímenes puede aparecer una difusión en la interface matriz/refuerzo
lo que conlleva una modificación de las propiedades mecánicas y térmicas del material.
Otra de las principales desventajas que presentan los AMCs son una menor ductilidad y
tenacidad que las matrices de aluminio. Estas limitaciones, reducen el campo de aplicación de
estos materiales por lo que los esfuerzos se han orientado hacia la mejora de la resistencia a la
fractura a través de un mayor entendimiento de los mecanismos de deformación y fractura. Se
han identificado tres distintos mecanismos de fractura: decohesión de la interface
matriz/refuerzo [4], fractura del refuerzo [4] y fractura dúctil de la matriz a través de la
nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades alrededor de las partículas de refuerzo e
inclusiones [5]. Conocer a que mecanismo concreto se debe la fractura de un material
compuesto es una tarea complicada debido a que los mecanismos mencionados anteriormente
a menudo coexisten y el comportamiento final es el resultado de una sinergia de
contribuciones.
Varios autores han estudiado las relaciones entre las propiedades microestructurales y
mecánicas para los AMCs reforzados con partículas. La regla de las mezclas se suele emplear
para explicar las propiedades de los compuestos [6], sin embargo existen modelos más
precisos que tienen en cuenta la forma, tamaño y distribución de las partículas en las
propiedades elásticas del material [7].
Interesa también conocer el comportamiento frente a la corrosión de los AMCs
reforzados con partículas ya que muchas de las aplicaciones de estos materiales son en
contacto con medios agresivos [8]. Existen importantes investigaciones científicas sobre la
sensibilidad frente a la corrosión de los AMCs, sin embargo, todavía existen un gran número
de preguntas abiertas debido a la extrema sensibilidad de los fenómenos de corrosión
implicados. El comportamiento final del material frente a la corrosión es función de un gran
número de factores.
Así, debido al interés despertado por los AMCs reforzados con partículas, en esta
contribución se persiguen los siguientes objetivos:
• Describir el proceso de fabricación de compuestos de matriz de aluminio y
reforzados con partículas intermetálicas del tipo Ti-Al.
• Evaluar la posible reacción matriz/refuerzo que tiene lugar.
• Investigar los mecanismos de fractura en los AMCs fabricados. Estimar la
influencia de parámetros microestructurales en el comportamiento mecánico.
• Analizar el comportamiento frente a al corrosión de este material.
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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Materiales
La fabricación de los AMCs se ha llevado a cabo con una aleación de aluminio
AA6061 y empleando una fracción en volumen del 5, 10 y 15% de partículas intermetálicas
de TiAl. Tanto los polvos de aluminio como los correspondientes a las partículas
intermetálicas de TiAl, figura 1, fueron obtenidos por atomización con argón. Los
correspondientes a la matriz fueron suministrados por ALPOCO, Ltd, mientras que los de
TiAl fueron suministrados por Crucible Materials Co. La composición de los mismos viene
reflejada en la tabla 1.
Matriz A2
(AA6061)
Refuerzo
TiAl
Tabla 1: Composición química de los polvos de partida.
%Cr %Fe %Si %Mg %Cu %C %O %Nb %Al
0.21 0.63 0.63 1.04 0.23
Bal.
2.71
0.03
-
-
-
%N
%Ti
-
0.019 0.088 4.79 33.66 0.009 Bal.
Las muestras fueron obtenidas por vía
pulvimetalúrgica: los polvos se mezclaron
en molino de bolas de alúmina, a 90 rpm y
durante 2 horas. La mezcla obtenida se
compactó en frío hasta una presión de
250MPa, obteniéndose así un cilindro, de
25 mm de diámetro y aproximadamente 34
mm de altura, con una densidad del 86%.
Se eligió un proceso de extrusión en
caliente como proceso de consolidación.
Tras la lubricación, se extruyeron las
muestras a 530 °C con una velocidad de 2
Figura 1. Partículas intermetálicas de TiAl
m/s y relación de extrusión de 25:1.
empleadas como refuerzo.
Finalmente se obtuvieron redondos de 5 de
400 mm. Se encontró una distribución
homogénea de las partículas de TiAl en la matriz de aluminio en todas los extruidos
fabricados, estando éstos prácticamente libres de porosidad, figura 2.
Tratamientos térmicos
Se llevaron a cabo tratamientos térmicos en hornos con atmósfera controlada de N2, con
el fin de enfatizar los procesos de difusión matriz/refuerzo. La temperatura de tratamiento
térmico elegida se mantuvo constante en 530ºC (temperatura de solubilización), variándose
los tiempos a 1, 6, 12 y 24 h.
Para determinar la influencia de la microestructura de la matriz en las propiedades
mecánicas, se realizaron tratamientos térmicos en algunas de las muestras. De esta forma, se
ensayaron muestras en estado T1 o estado tras extrusión, y en estado T6 o estado tras someter
a las muestras a un envejecimiento artificial: 1 hora de solubilización a 530ºC, temple en agua
y posterior envejecimiento durante 8 h a 175ºC.
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Salvador, Martinez, Busquets
Ensayos de tracción
Para realizar los ensayos mecánicos,
se utilizaron muestras de 5 mm de diámetro
y 60 mm de longitud con una superficie
calibrada de 4 mm de diámetro y 20 mm de
longitud.
El diseño de las muestras empleadas
en esta contribución no satisface los
requisitos del estándar ASTM E-8 [9],
debido a dimensiones iniciales de las barras
extruidas.
Se llevaron a cabo dos ensayos de
tracción para cada una de las muestras
Figura 2. Sección transversal del AMC con
ensayadas. Los ensayos se realizaron en una
10% de TiAl.
prensa universal de ensayos INSTRON
4204, eligiéndose una velocidad de 5
mm/min para la ejecución de los mismos.
Los AMCs fabricados, se ensayaron a temperatura ambiente en diferentes estados de
precipitación de la matriz: T1 y T6.
Ensayos de corrosión
Los ensayos electroquímicos se realizaron en muestras de 5 mm de diámetro, 3 mm de
espesor y con un área expuesta de 0.2 cm2. Esta dimensión no satisface la indicada por el
estándar ASTM G-61 [10] debido a las dimensiones iniciales de las muestras. Los ensayos se
llevaron en acuerdo con ASTM G-61 [11] y ASTM G- [21].
Las muestras se embutieron en una resina epoxy y para asegurar la conductividad
eléctrica de las mismas, se fijó a la base un hilo de cobre. La superficie de las muestras se
desbastó sucesivamente con papeles de SiC de 500 a 1000 grit.
Se empleó una disolución desaireada de NaCl al 3.5% como electrolito, un electrodo de
Ag/AgCl como electrodo de referencia, un electrodo de Pt como contraelectrodo, y una celda
de caras planas de EG&G como celda de ensayo. Los detalles de las condiciones seguidas se
encuentran en otros trabajos de los autores [12].
Caracterización microestructural
La reactividad matriz/refuerzo se estudió mediante microscopía óptica (OM) y mediante
microscopía electrónica de barrido (SEM) equipada con microanálisis de rayos X (EDX). Para
ello, algunas de las muestras se prepararon metalográficamente mediante técnicas
convencionales.
El comportamiento mecánico y frente a la corrosión se evalúa también a través de SEM.
Se estudiaron las superficies de fractura tras los ensayos de tracción.
Las muestras sometidas a ensayos de corrosión y tras una exhaustiva limpieza, se
analizaron por SEM.
Para conocer la morfología, tamaño y extensión y poder así clasificar las picaduras
producidas según norma ASTM G-46 [13], se llevaron a cabo cortes transversales de las
muestras, los cuales también se estudiaron con SEM.
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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Reactividad Matriz/Refuerzo
Las muestras sometidas a los tratamientos térmicos de solubilización, mostraron la
formación de una capa de productos de reacción en la interface matriz/refuerzo, figura 3.
530ºC
0h
24h
12h
1h
Tiempo
6h
Figura 3. Reacción matriz/refuerzo en función del tiempo de solubilización a 530ºC para el
AMC con 5% de TiAl.
Se realizaron diferentes estudios cualitativos y cuantitativos en las muestras para
establecer la variación de los componentes presentes en la zona de reacción. Para este tipo de
análisis se seleccionaron partículas con una sección lo más cercana a la teórica ecuatorial. El
estudio cuantitativo de los elementos presentes en la capa de reacción permitió determinar las
fases presentes en la misma. Los valores obtenidos se ajustaron a la estequiometría de las
fases intermetálicas (Al, Si)2Ti y (Al, Si)3Ti. Con el aumento del tiempo de solubilización, se
observó la tendencia de la capa de reacción hacia la estabilización de la fase intermetálica (Al,
Si)3Ti que ocurrió a las 12 o 24 horas de solubilización.
3,5
10
24 h
8
2,5
12 h
A2 + 5% TiAl
% Atómico Si
Espesor capa reacción ( µ m)
3,0
2,0
1,5
6
6h
4
1h
A2 + 10% TiAl
1,0
2
0h
0,5
0
0,0
0
5
10
15
20
-6
25
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Distancia a la interface matriz/refuerzo (µ m)
Tiempo solubilización (h)
Figura 5. Evolución contenido de Si en la
capa de reacción en función del tiempo de
solubilización.
Figura 4. Espesor capa de reacción vs.
tiempo en función del contenido en refuerzo.
923
Salvador, Martinez, Busquets
La observación de los espectros de análisis, verificó el importante incremento en la
cantidad de silicio en esta nueva fase formada, figura 4. La presencia del silicio en la capa de
reacción tiene como posible explicación la siguiente: el silicio presente en la matriz, que no se
encuentra combinado con el magnesio formando el compuesto de equilibrio Mg2Si, difunde
de la matriz hacia la capa de reacción.
A mayor contenido de refuerzo, el porcentaje de productos de reacción obtenida al
aplicar técnicas de análisis de imagen a las micrografías obtenidas por SEM, es mayor en
ambos refuerzos. Sin embargo considerando las partículas individualmente, el espesor de la
capa de reacción es menor a mayor contenido de refuerzo, figura 5. La explicación se
encuentra de nuevo en el Si contenido en la matriz. La presencia de un mayor contenido de
refuerzo en el material inhibe la difusión del Si presente en la matriz hacia la interface
matriz/refuerzo y por lo tanto aparece una menor cantidad de productos de reacción.
Ensayos de tracción
Los valores correspondientes al límite elástico al 0.2% σy, la tensión máxima de rotura
σu y alargamiento εf, de las muestras se obtuvieron de los ensayos de tracción realizados.
En la figura 6, se puede observar la influencia del estado de precipitación de la matriz
en los valores resistentes de los materiales ensayados.
En la representación se puede apreciar que
500
tanto la resistencia máxima a rotura como
T1
σ
450
T6
el límite elástico, aumentan tras someter a
400
la matriz de aluminio a un tratamiento de
σ
350
envejecimiento artificial. Esta situación se
300
da en la matriz sin reforzar así como en
250
los
compuestos
fabricados
como
σ
200
consecuencia de la precipitación de
σ
150
pequeñas partículas intermetálicas como
100
ε
ε
consecuencia del tratamiento térmico. Los
50
precipitados coherentes, aumentan la
0
A2
A2 + 15% TiAl
resistencia del flujo de material por el
Muestra
conocido mecanismo de interacción entre
las dislocaciones y precipitados. Por el
Figura 6. Parámetros resistentes en función
u
Valores estudiados
u
y
y
f
f
del estado de precipitación de la matriz.
300
Tensión última rotura
Límite eléstico
Alargamiento
280
contrario, los valores correspondientes al
alargamiento del material apenas se ven
afectados, sobre todo para los compuestos
ensayados donde los valores obtenidos
prácticamente son los mismos.
El porcentaje de refuerzo influye en
los valores obtenidos tras el ensayo de
tracción, figura 7.
La σu aumenta ligeramente hasta un
contenido de refuerzo del 10%, momento a
partir del cual, su valor vuelve a descender.
Este aumento se da principalmente por la
transferencia de la carga de la matriz al
260
Resistencia (MPa)
240
24
22
220
200
20
180
160
18
140
120
16
100
80
14
60
-
5%
10%
15%
% Refuerzo
Figura 7. Parámetros resistentes en función
del porcentaje de refuerzo.
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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001
refuerzo, más resistente, debido a las diferencias en las constantes elásticas. Se observó como
el valor de σy decrecía al aumentar el contenido en refuerzo del compuesto, tendencia similar
a la observada para los εf. Esta tendencia puede ser
explicada por la precipitación de partículas de óxido
e intermetálicas que se produce durante la ruta
pulvimetalúrgica de fabricación de materiales
compuestos. Éstas actúan como concentradores de
tensión disminuyendo la ductilidad y tenacidad.
La figura 8 muestra una fractura de un
compuesto. Como se puede observar, están presentes
dos mecanismos: la fractura dúctil de la matriz de
aluminio (dimples) y la fractura frágil de las
Figura 8. Superficie fractura del
partículas de refuerzo. Éstas no se ven afectadas por
compuesto A2 con 10% TiAl.
la fractura ya que mantienen su forma tras la misma.
Además, como se puede apreciar, la fractura crece por las interfaces matriz/refuerzo.
Ensayos de corrosión
Se han representado en la figura 9 los valores del potencial de corrosión Ec1, potencial
de picadura Eb, potencial de pasivación primaria Epp, así como los correspondientes a la
amplitud de la zona de pasivación (Eb – Epp).
-550,00
-600,00
Potencial
400
200
Po
r
taj
e
A2 +10% TiAl
A2 +15% TiAl
-800,00
Epp
-
SCE = E + 0.009 V
SHE = E + 0.250 V
A2 +5% TiAl
Eb
5%
fue
rzo
A2
-700,00
-750,00
(E b-E pp)
%
10
Re
-650,00
E, mV
-40
0
-60
0
-80
0
-10
00
-12
00
%
15
ce
n
0
Valores de
0
-20
-850,00
-8
Ec1
-7
-6
-5
-4
-3
-2
log I, log A
Figura 10. Valores de potencial en
función del porcentaje de refuerzo.
Figura 9. Valores de potencial en función
del porcentaje de refuerzo.
No se aprecian diferencias importantes en los valores de potencial medidos para la
matriz de aluminio y los compuestos reforzados con partículas de TiAl. Se obtuvieron valores
de potencial de picadura y potencial de pasivación primaria muy similares, por lo que la
amplitud de la zona pasiva varió poco de un material a otro. Al aumentar el contenido de
refuerzo en el compuesto, los valores de Eb mostraron un ligero incremento, mostrando así
que la presencia de la fase refuerzo TiAl no afecta a la resistencia a la corrosión de la matriz
de aluminio.
La figura 10, muestra con detalle la zona pasiva de los materiales ensayados, donde se
puede apreciar que la continuidad de la capa pasiva de óxido formada sobre la superficie del
material no se ve interrumpida por la presencia de las partículas intermetálicas de TiAl.
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Salvador, Martinez, Busquets
Los estudios por SEM realizados sobre las
muestras ensayadas, indican la presencia de
corrosión por picaduras en el material sumergido en
la solución de NaCl. La disolución de la matriz de
aluminio tiene lugar en puntos localizados de la
misma. La presencia del refuerzo, aún no variando
el potencial al que se producen las picaduras de la
matriz, si mostró modificar la morfología de las
picaduras producidas.
Para estudiar el crecimiento de las
Figura 11. Superficie fractura del
picaduras, su forma y profundidad se realizaron
compuesto A2 con 10% TiAl.
cortes transversales de la superficie de corrosión,
figura 11. La profundidad de las picaduras
estudiada aumenta con el contenido en refuerzo del compuesto. Se midieron valores de
profundidad de picadura de 5.1-7.1 µm para la matriz de aluminio sin reforzar, llegándose a
valores de 214 µm para los compuestos con un 15% de TiAl. Se puede decir, que la fase
refuerzo no constituye una zona preferencial de aparición de picaduras, pero una vez
producidas las mismas, acentúa la disolución de la matriz, aumentando por lo tanto la
profundidad del ataque.
CONCLUSIONES
A modo de conclusión, resaltar los siguientes aspectos:
9 Se comprobó la formación de fases intermetálicas en la interface matriz/refuerzo.
9 El comportamiento mecánico se vio mejorado por la presencia de las partículas de
refuerzo hasta un contenido del mismo del 10%.
9 El potencial de picadura de los compuestos resultó ser muy similar al correspondiente
a la matriz sin reforzar. Sin embargo, las picaduras resultaron más profundas.
REFERENCIAS
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