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]. 919 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. 920 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. 921 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. 922 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. 924 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. 925 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 1. A.A. Das, M.M. Yacoub, Z. Zantout and A. 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