Aproximacion a Los Materiales Con Funcion Gradiente (FGM)

Materiales Funcionalmente Graduados (FGM)[email protected]

Aproximación a los materiales con función gradiente (FGM)

1. Introducción

Los materiales compuestos ligeros con elevadas relaciones resistencia/peso y rigidez/peso se han utilizado con éxito en la industria aeronáutica y otras aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, el material compuesto tradicional no se puede emplear en ambientes que estén sometidos a temperaturas altas ya que la resistencia del metal se reduce de forma similar a los materiales base. Los materiales cerámicos tienen excelentes características de resistencia al calor, sin embargo, sus aplicaciones son por lo general limitadas debido a su baja tenacidad.

Recientemente, se han desarrollado una nueva clase de materiales compuestos conocidos como “materiales con función gradiente (FGMs)”. Un típico FGM, con un alto efecto de acoplamiento flexión – estiramiento, es un compuesto heterogéneo hecho de diferentes fases de los materiales que lo constituyen (por lo general de cerámica y metal). Un ejemplo de este material se muestra en la figura 1, donde las partículas esféricas o casi esféricas están incrustadas en una matriz isotrópica.

Figura 1. Ejemplos de diferentes tipos de microestructuras de materiales funcionalmente graduados [1]

Dentro de los FGMs las diferentes fases microestructurales tienen distintas funciones y el conjunto FGMs alcanza el estado multiestructural de su gradación. Por la variación gradual de la fracción volumétrica de los materiales constitutivos, las propiedades de los materiales presentan un cambio suave y continuo de una superficie a otra, eliminando así los problemas de interfase y la mitigación de las concentraciones de esfuerzos térmicos. Esto se debe al hecho de que los componentes cerámicos de los FGMs son capaces de soportar entornos de alta temperatura debido a sus mejores características de resistencia térmica, mientras que los componentes metálicos proporcionan un mayor rendimiento mecánico y reducen la posibilidad de fractura catastrófica.

Para visualizar las diferentes tecnologías y/o tipos de recubrimientos aplicados, la figura 3 nos muestra el orden cronológico de estas tecnologías.

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(c)

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Figura 2. Visualización de la transición de las diferentes tecnologías de recubrimientos donde la imagen (d) muestra el perfil de composición naranja a violeta Ti(C, N) del FGM, que representa un aumento en

el contenido de carbono hacia el interior, es un perfil de difusión con un “espesor de la capa” en el rango de distancias atómicas. [4]


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El término FGMs se originó en la década de 1980 por un grupo de científicos en Japón. Desde entonces, se están haciendo esfuerzos para desarrollar materiales de alta resistencia utilizando los FGMs. Estos materiales fueron diseñados inicialmente como material de barrera térmica para estructuras aeroespaciales y reactores de fusión. Ahora se están desarrollando para uso general como en componentes estructurales sometidos a alta temperatura.

Existen un gran número de métodos para obtener FGMs, entre otros, metalurgia de polvos, procesamiento coloidal, infiltración, deposición química o física en fase vapor, proyección térmica y deposición electroforética. Sin embargo, se pueden encontrar algunas tendencias comunes en esta variedad de procesos y en particular dos clases de métodos para la producción de FGMs donde se puede distinguir una fase metálica. La primera clase de método de producción se llama “procesos constructivos”, que lleva el nombre debido a que los FGMs se construyen capa por capa de forma programada. Este método es atractivo porque no hay límite en los gradientes que se pueden producir. La segunda clase son los “procesos basados en el transporte” que crean gradientes dentro de un componente por fenómenos de transporte natural. Estos procesos usan el flujo de fluidos, la difusión de especies atómicas o la conducción de calor para crear gradientes en microestructuras locales y/o composiciones. En general, son más rentables que los “procesos constructivos” (Figura 3).

Para todos ellos, el principal desafío es la fabricación de estructuras gradientes donde la concentración de tensiones residuales de origen térmico a lo largo del gradiente sea mínima, lo que mejoraría la fiabilidad del componente bajo condiciones de operación. Habitualmente, para resolver esta cuestión, se fabrican gradientes apilando capas sucesivas donde en cada una de ellas varía la composición o la granulometría. Sin embargo, la transferencia de estos procesos a un sistema de producción a gran escala es muy compleja y, además, pueden desarrollarse tensiones en las intercaras de las capas. El desarrollo de estructuras con gradientes continuos eliminaría gran parte de estos problemas y, así, se han desarrollado gradientes continuos mediante sedimentación de una suspensión con varias fases o por deposición electroforética de una suspensión recirculada de varios componentes donde varía la relación de concentración entre ellos.

Figura 3. Diferentes métodos de fabricación de los materiales graduados funcionalmente (FGM) [3]AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.eshttp://www.aimme.es

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2. Aplicaciones

Hay varios tipos de FGMs que presentan excelentes propiedades multifuncionales y aplicaciones multisectoriales, como se muestra a continuación:

Tipo Propiedades Método de fabricación Aplicaciones

FGMs cerámico/metal a granel (figura 7)

Relajación de la tensión térmica, alta resistencia al calor y resistencia al

desgaste, alta resistencia mecánica

Proceso de sinterización asistida por corriente de

plasma pulsada (SPS, Spark Plasma Sintering)

Componentes de alta eficiencia del motor

Titanio (aleaciones) con densidad graduada o porosidad (figura 5)

Combinación de buenas propiedades mecánicas y

bajo peso

Procesos de fabricación aditiva mediante capas: sinterizado láser directo

de polvo metálico (DMLS)

Estructuras de bajo peso para la industria

aeronáutica y aeroespacial, implantes

Aceros de herramienta con gradiente de C, V, Cr; aceros o superaleaciones

de Ni con gradiente de partículas cerámicas

(óxidos, carburos)

Combinación de tenacidad y dureza o

Resistencia al desgaste

Procesos de fabricación aditiva mediante capas:

impresión 3D con control de la composición local de material (generación

de una pieza en verde de material en polvo y

sinterización o infiltración)

Herramientas, instrumental médico, implantes, industria

aeronáutica y aeroespacial

Metal duro con función gradiente: sustrato de

titanio con capa cerámica, núcleo duro de

metal duro y capa intermedia con

composición gradiente

Resistencia al desgaste, resistencia a la rotura, resistencia a las grietas

térmicas

sinterizaciónInsertos de corte,

plaquitas de metal duro (figura 4)

Combinación ferrítico-austenítico como 17-4PH y 316L; combinación de

acero-cerámico

Magnético y amagnético; dúctil y tenaz

Co-inyección y co-sinterización

(construcción de una interfase gradiente)

Industria automotriz, sensores, instrumental

médico

Metales preciosos como Pt, Ag (catálisis) y óxidos

metálicos como SnO2

(sensores) con porosidad gradiente desde granel a

escala nanométrica (figura 6)

Alta superficie específica y fuerte interacción gas-

metal, porosidad gradiente combina el

contacto optimizado en sustratos (lado a granel) y una gran funcionalidad (lado nanoestructurados)

PVD basado en técnicas de pulverización catódica

y evaporación y condensación de gas

inerte, con diseño in-situ de las estructuras

depuestas por el control de los parámetros del

proceso

Sensores de gases y catalizadores de capa

activa, baja temperatura de unión para conexiones

electrónicas


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Figura 4. Campos de investigación en el desarrollo de plaquitas de metal duro. El concepto de los FGMs puede contribuir al diseño del sustrato, borde de corte y recubrimiento/capa [4]

Figura 5. Implantes con FGMs diseñados a medida y con propiedades en sitios específicos [5]

Figura 6. El FGM es un electrodo de lámpara HID (descarga de alta intensidad) hecho de un material compuesto metal/cuarzo (SiO2). El metal y cuarzo se fabrican a lo largo de un gradiente, sin límites.

[6]


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Figura 7. Engranajes FGMs (materiales compuestos de matriz de aluminio) fabricados por fundición centrífuga [7]

3. Ventajas frente a las alternativas tradicionales

En la unión directa metal/cerámico o en la fabricación de materiales compuestos de matriz metálica con refuerzos cerámicos (o viceversa) obtenidos por técnicas convencionales de fundición, pulvimetalurgia, etc., se generan tensiones térmicas en las aplicaciones prácticas a altas temperaturas. Los esfuerzos térmicos provoca la formación de grietas, pérdida de adherencia en la hetero-interfase y con frecuencia el rompimiento de la capa cerámica. La ventaja de la unión metal/cerámica mediante FGM es la eliminación de los esfuerzos térmicos mediante la capa intermedia de composición gradual. Un material con función gradiente posee de forma simultánea una elevada resistencia al calor y la tenacidad suficiente para detener la propagación de grietas.

4. Referencias

[1] Hui-Shen Shen. Functionally Graded Materials. Nonlinear Analysis of Plates and Shells. CRC Press Taylor & Francis Group, 2009, 266 págs.

[2] Y. Miyamoto, W.A. Kaisser, B.H. Rabin, A. Kawasaki, R.G. Ford. Functionally Graded Materials: Design, Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers, 1999, 330 págs.

[3] Jonsson, Daniel. Microstructure and Mechanical Properties of an Alumina/Zirconia functionally Graded Material Prepared by Electrophoretic Deposition. Master thesis (pre-Bologna period), Universidad Politécnica de Cataluña, 2005.

[4] Walter Lengauera, Klaus Dreyerb. Functionally graded hardmetals. Journal of Alloys and Compounds 338 (2002) 194–212.

[5] http://www.mtse.unt.edu/AMM/AppBased.html

[6] http://www.toto.co.jp/E_Cera/lampparts/fgm_electrode.htm

[7] http://w3rrlt.csir.res.in/lmac/ver1.0_mm_lmac_technologies.htm


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http://w3rrlt.csir.res.in/lmac/ver1.0_mm_lmac_technologies.htm

http://www.toto.co.jp/E_Cera/lampparts/fgm_electrode.htm

http://www.mtse.unt.edu/AMM/AppBased.html

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