VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 2002 477-485

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EVALUACIÓN DE LA MICRODUREZA EN ALEACIONES TI-6AL-4VOBTENIDAS POR SINTERIZACIÓN DE POLVOS. INFLUENCIA DELTRATAMIENTO TÉRMICO

A. Vicente Escudera, V. Amigó Borrása, F. Romero Sanchisa, A. Baustistab y J.M. Torralbab

a Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales. Universidad Politécnica de Valenciab Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Universidad Carlos III deMadrid

RESUMENEn el presente trabajo se evalúa las propiedades mecánicas, en forma de microdureza,

obtenidas en aleaciones de Ti-6Al-4V compactadas en frío y sinterizadas a dos temperaturasdistintas, de 1290 y 1413°C que presentan un cambio microestructural importante. Se parte depolvos atomizados por gas de la aleación y por aleación obtenida por proceso de hidruración ydeshidruración con granulometrías entre las 5 y 100 micras. Los polvos se compactanisostáticamente en frío obteniéndose redondos de 5 mm de diámetro con longitudes entre los20 y 80 mm. Los compactos se sinterizan en vacío a las temperaturas mencionadas con lo quese evita su oxidación superficial. La temperatura de 1400°C corresponde a un proceso desinterización en fase líquida. Se analiza la microestructura mediante microscopía óptica yelectrónica determinando por análisis de imagen el contenido en poros obtenidos en cada unode los tratamientos. Finalmente se comparan las microdurezas obtenidas tras la sinterizacióncorrelacionando las mismas con la microestructura final de la aleación.

Palabras clavesPulvimetalurgia, aleaciones de titanio, sinterización, tratamientos térmicos

1. INTRODUCCIONLa pulvimetalurgia de aleaciones de titanio, como de otros materiales puede realizarse

mediante la mezcla de polvos elementales, mediante las operaciones de compactación ysinterización [1-3] o mediante aleaciones prealeadas con las que se obtiene compactos demayor densidad.

Las aleaciones prealeadas de titanio pueden obtenerse por procesos químicos dehidruración y deshidruración o mediante atomización bien sea por gas o por el proceso PREP(Plasma Rotating Electrode Process). Estos polvos, pueden compactarse uniaxial oisostáticamente en frío [4], aunque en la mayoría de los casos para obtener excelentespropiedades mecánicas se aplican procesos de prensado isostático en caliente [5, 6].

En investigaciones realizadas, para obtener el módulo de elasticidad y resistencia afatiga, se ha puesto de manifiesto la importancia del tratamiento térmico al que se somete a laaleación debido a los cambios microestructurales de éstas, fundamentalmente cuando lasaleaciones de titanio son bifásicas [7, 8]. También al trabajar con polvos prealeados se hanobtenido propiedades mecánicas excelentes, en procesos de conformado por prensado encaliente, obteniéndose densidades del 99% y rangos de resistencia entre los 840 y los 1035MPa

También se han desarrollado, en este campo, compuestos reforzados con TiC [9] y,últimamente, con TiB2 [10-12] a partir de la mezcla de polvos elementales. Estos nuevosproductos mejoran la resistencia al desgaste, el módulo de elasticidad, la fluencia, fatiga y suresistencia a corrosión con unas pequeñas variaciones de su densidad, menor del 3% [10].

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Sin embargo, uno de los problemas fundamentales que se presentan en el desarrollo deestos materiales es la descomposición térmica de las partículas de refuerzo, lo que precisa deuna optimización de la sinterización de los mismos. La adición de partículas de TiB2 a lospolvos de titanio, en contenidos del orden de un 5%, reaccionan completamente, durante lasinterización a 1200°C, formando TiB [11]. Sin embargo no se ha estudiado la posibilidad deutilizar polvos prealeados para obtener aleaciones de titanio pulvimetalúrgicas o compuestosde matriz de titanio, con su repercusión en las propiedades mecánicas de estos materiales.

2. PROCESO EXPERIMENTALEn la presente investigación se analiza la influencia del proceso de conformado por vía

pulvimetalúrgica de aleaciones Ti6Al4V y compuestos reforzados con TiB2, a partir de polvosprealeados obtenidos por dos procedimientos distintos.

El primer tipo de polvo, obtenido porel procedimiento de hidruración ydeshiduración, ha sido suministrado porSE-JONG. Este tipo de polvo presenta untamaño medio de partícula de 28 µm, conuna distribución granulométrica hacia elpolvo fino, tal como se aprecia en la figura1. La morfología de las partículas espoligonal, aunque de bordes redondeados,con cierta tendencia a la aglomeración, talcomo puede observarse en la figura 2.

a) x500 b) x1000Figura 2. Polvos de aleación Ti6Al4V suministrados por SE-JONG, obtenidos por el procseso

de hidruración y deshidruración.

El segundo tipo de polvo ha sido obtenido por atomización por plasma en electrodorotativo (PREP) por Crucible Materials Corporation. Este tipo de polvo, perfectamenteesférico, tal como se aprecia en la figura 3 presenta un tamaño de partícula inferior a 74 µm.

Además, se han obtenido materiales compuestos, por la misma vía, mezclando estasaleaciones de titanio con partículas de TiB2, suministradas por Alfa Aesar, que presentan untamaño menor de 44 µm y una densidad de 4.50 g/cm3, en proporción de un 20 y un 40% enpeso. En la figura 4 puede observarse la morfología del polvo de TiB2 utilizado. El proceso deobtención seguido, tanto para las aleaciones como para los materiales compuestos, haconsistido en una mezcla en un pequeño molino de bolas de alúmina, a 90 rpm, durante 2horas, para a continuación compactar uniaxialmente probetas de flexión y tracción, ASTM E-

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tamaño de partícula (µµm)

Dis

trib

uci

ón

acu

mu

lad

a (%

)

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6

8

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16

18

20

Dis

trib

uci

ón

gau

ssia

na

(%)

Figura 1. Distribución granulométrica del polvode Ti6Al4V hidrurado.

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69, utilizando para ello presiones de 500 MPa con las que obtenemos densidades alrededordel 70%, 3.09 g/cm3. También se ha obtenido probetas, de 10 cm de longitud y 6 mm dediámetro, por prensado isostático en frío, figura 5.

a) x250 b) x1500Figura 3. Polvos de aleación Ti6Al4V suministrados por CRUCIBLE, obtenidos por

atomización.

a) x500 b) x2500Figura 4. Polvos de TiB2 utilizados como refuerzo. En a) se muestra una pequeña partícula de

boro no reaccionado en la formación del TiB2.

La sinterización de las probetas se harealizado en horno de vacío a temperaturasentre los 1100 y 1413°C, durante 2 horas,intervalo utilizado habitualmente en estasaleaciones [13].

Las propiedades mecánicas se evalúanmediante ensayos de dureza utilizando elprocedimiento Rockwell A, es decirutilizando una carga de 60 kg y un penetradorcono, y mediante el ensayo de microdureza. Ésta se obtiene en un microdurómetro VickersMatsuzawa MHT2 mediante la aplicación de una carga de 300 g.

El análisis microestructural se realiza mediante la observación de las probetasmetalográficas por microscopía óptica, con un microscopio Nikon Microphot FX, y pormicroscopía electrónica de barrido, con un microscopio JEOL 6300 equipado con un equipode microanálisis por energías dispersivas de rayos X Link Isis de Oxford Instruments.

Figura 5. Probeta de polvo de Ti6Al4Vobtenida por prensado isostático en frío.

B

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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓNEl material ha mostrado una densificación muy elevada, una vez sinterizado, siempre

superior al 97%, lo que viene a confirmar las elevadas densidades obtenidas por otrosinvestigadores [14]. Así y todo, la mayor densificación, de un 98.1%, se obtiene a los 1200°C,que disminuye ligeramente hasta los 96.5% a los 1290°C, figura 6, aunque en todos los casosla porosidad se concentra cerca de la superficie de las muestras y por ello la microestructuramostrada, correspondiente a la zona central de la misma muestra tan escasa porosidad.

a) Aspecto general a 250 aumentos b) Detalle a 500 aumentosFigura 6. Microestructura de la aleación Ti6Al4V, prensada isostáticamente y sinterizada a

1290°C.

A las temperaturas más elevadas, 1413°C, el material vuelve a presentar una elevadadensificación, al aumentar la difusión intergranular y presentar indicios de fusión incipiente,tal como se observa en la microestructura recogida en la figura 7. En esta se aprecia unadensificación casi completa y una microestructura muy similar a la obtenida en materiales decolada de estas aleaciones.

a) Aspecto general a 250 aumentos b) Detalle a 500 aumentosFigura 7. Microestructura de la aleación Ti6Al4V, prensada isostáticamente y sinterizada a

1413°C.

Esta mayor difusión se aprecia con más claridad en las microestructuras, de las figuras 8y 9, correspondientes a los compuestos obtenidos con el TiB2 para un 20 y 40% de refuerzo.En estas figuras se aprecia una mayor densificación y reacción a la temperatura de 1413°C,figura 8c y d para el 20% y figura 9c y d para el 40% de TiB2, frente a la obtenida atemperaturas algo menores de 1290°C, figura 8a y b para el 20% y figura 9a y b para el 40%de TiB2

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a) b)

c) d)Figura 8. Microestructura de los compuestos Ti6Al4V reforzados con un 20% de TiB2,

compactados isostáticamente y sinterizados a 1290 y 1413°C.

a) b)

c) d)Figura 9. Microestructura de los compuestos Ti6Al4V reforzados con un 40% de TiB2,

compactados isostáticamente y sinterizados a 1290 y 1413°C.

x2001290°C

x5001290°C

x2001413°C

x5001413°C

x5001290°C

x2001290°C

x5001413°C

x2001413°C

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La dureza de la aleación, a las diferentes temperaturas de sinterización ensayadas, puedeobservarse en la figura 10, apreciándose un ligero aumento de la misma según aumenta latemperatura de sinterización. La mayor dureza corresponde a compactos sinterizados a1200°C durante 2-4 horas, obteniéndose de esta manera una relación entre la dureza oresistencia a la penetración de estos materiales con su densidad, que también era mayor paralas muestras sinterizadas a 1200°C.

Figura 10. Dureza Rockwell A de la aleación Ti6Al4V en función de la temperatura desinterización, para la aleación compactada uniaxialmente.

Los ensayos de microdureza realizados en la aleación y sus compuestos, sinterizados atemperaturas de 1290 y 1413°C, muestran valores elevados y similares en la aleación, quedisminuyen ligeramente con los compuestos, debido principalmente a la escasa densificaciónobtenida sobre todo en los compuestos con un 40% de TiB2. Tal como puede observarse en lafigura 11, la microdureza, para la aleación Ti6Al4V, presenta valores muy similares a ambastemperaturas debido a la modificación microestructural obtenida con las diferentestemperaturas de sinterización, según puede verse en las figuras 6 y 7, junto a una mayordensificación a las temperaturas superiores que viene a compensar de alguna forma la pérdidade propiedades que podía esperarse.

Figura 11. Microdureza correspondiente a la aleación Ti6Al4V y los compuestos con un 20 y40% de TiB2, compactados isostáticamente, función de la temperatura de sinterizado.

68,9

69,3

70,2

70

68,5

68

68,5

69

69,5

70

70,5

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1100 1150 1200 1250 1290 1300 1413

Temperatura (°C)

Dur

eza

Roc

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l A

68,9

69,3

70,2

70

68,5

68

68,5

69

69,5

70

70,5

71

1100 1150 1200 1250 1290 1300 1413

Temperatura (°C)

Dur

eza

Roc

kwel

l A

378 377

314 316

283310

0

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250

300

350

400

1290 1413

Ti6Al4V

Ti+20%

Ti+40%

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Estas durezas responden a los materiales mezclados de manera manual. Si la mezcla serealiza en molino de bolas con baja energía, se obtienen incrementos de dureza de hasta un4%, pasando a durezas de 392-398 HV. Ello hace pensar en la influencia de la acritud,suministrada por la molienda a las partículas de polvo, positiva aún con el tratamiento térmicoposterior a elevadas temperaturas, y por tanto en la posibilidad de realizar, sobre todo en elcaso de los materiales compuestos, mezclas en molinos de alta energía que permitan unamayor interacción física entre las partículas de la matriz y refuerzo consiguiéndose un efectode aleación mecánica.

En la figura 11 se muestra, igualmente, la microdureza de los compuestos obtenidos conun 20 y 40% de TiB2, que disminuye sensiblemente según aumenta el contenido en TiB2. Estadisminución se fundamenta en la menor densificación de los compuestos, al no posibilitarse lasinterización entre las partículas de aleación y del cerámico, sobre todo a los 1290°C, figura8a y b, de manera que se produce la disminución de su resistencia a la penetración. Sinembargo, cuando se sinteriza a 1413°C, debido fundamentalmente a una mayor reacción entrela matriz y el refuerzo se obtiene una cierta recuperación en la dureza del material. El refuerzopasa en parte a TiB, tal como se aprecia en la figuras 8d donde aparece como una fase grisdiferenciada claramente de la matriz de titanio y del refuerzo no reaccionado TiB2 másoscuro.

Esta reacción entre las partículas del refuerzo y el titanio de la matriz se hace máspatente para los compuestos con un 40% de TiB2 que presentan inicialmente las microdurezasmás bajas, a los 1290°C de temperatura de sinterización, y aunque se recuperen en mayormedida cuando se sinterizan a elevadas temperaturas no permiten superar en ningún caso lasmicrodurezas obtenidas con un 20% de refuerzo o las de la propia aleación. Evidentemente, lamayor descohesión obtenida entre las partículas de refuerzo y matriz con un 40% de TiB2,queda patente en la figura 12, donde se observa en detalle la reacción entre matriz y refuerzo alas temperaturas de ensayo de 1290 y 1413°C.

A 1290°C, figura 12a, se hace patente la falta de adherencia matriz-refuerzo que permiteprever unas bajas propiedades mecánicas generales, aunque la dureza no alcanza a manifestaren este caso la posible disminución del límite elástico o tensión máxima. A esta temperaturase observan muchos huecos por arrancamiento de las partículas de refuerzo en la etapa depreparación de las muestras metalográficas, consiguiendo una baja reactividad entre laspartículas de refuerzo y las de la matriz.

a) b)Figura 12. Detalles de las microestructuras obtenidas en los compuestos con un 40% de TiB2.

Imágenes de electrones retrodispersados.

A 1413°C, figura 12b, se aprecia una mayor reacción entre las partículas de TiB2 y lamatriz formando gran cantidad de productos de reacción o fases de TiB, que mejoran la

x15001413°C

TiBTiB2

x15001290°C

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adherencia entre la matriz y el refuerzo y explica la mayor dureza observada a estatemperatura comparada con la obtenida para la temperatura menor de 1290°C.

De todas formas, la pérdida de propiedades mecánicas obtenidas en los compuestos,frente a las obtenidas en la aleación base invalida la vía pulvimetalúrgica, por prensadouniaxial o isostático, como proceso de conformación de este tipo de materiales, con losporcentajes utilizados. Sin embargo se abren expectativas con respecto a la posibilidad deutilizar porcentajes de refuerzo inferiores, entre el 10 y 20% que permitan una mayorinteracción matriz-refuerzo que puedan determinar unas propiedades mecánicas similares alas de la aleación pero mejorar sensiblemente otras propiedades del material, como resistenciafrente al desgaste o a elevadas temperaturas, que junto a la modificación microestructural, queno ha podido ser estudiada en los compuestos realizados, deben determinarse en futurasinvestigaciones.

4. CONCLUSIONESEn el presente trabajo se han desarrollado por vía pulvimetalúrgica tanto aleaciones de

Ti6Al4V como compuestos con TiB2, mostrando las posibilidades de la técnica para laobtención de piezas de estos materiales. De una manera más concreta, en cuanto al estudio delefecto de las temperaturas de sinterización de estos materiales podemos concluir que:ü A temperaturas inferiores a 1200°C el material presenta bajas propiedades mecánicas,

tanto en verde como tras la sinterización, ya que su coeficiente de difusión es bajo y launión interparticular también es baja.

ü Las temperaturas para las que se ha obtenido una mejor respuesta mecánicacorresponde precisamente a los 1200°C.

ü A temperaturas superiores se aprecia, de nuevo, una disminución de la dureza alpresentar la microestructura una coalescencia de los poros y el material una menordensidad. No obstante las propiedades mecánicas son elevadas.

ü La compactación isostática en frío de los polvos, mejora las características de durezaaunque en niveles inferiores al 5%.

ü La mezcla de los polvos en molino de bolas ha mostrado igualmente un aumento de ladureza del 4% con respecto a los polvos mezclados manualmente antes de lacompactación.

ü La obtención de los compuestos reforzados con partículas de TiB2, para los contenidosensayados han presentado unas menores durezas que las correspondientes a laaleación, aunque se recuperan ligeramente con las temperaturas de sinterización máselevadas, de 1413°C.

ü A estas temperaturas, 1413°C, durante las dos horas de permanencia, se presenta unagran reactividad entre la aleación y el refuerzo obteniéndose como producto TiB quetampoco muestra una mejora en las propiedades mecánicas obtenidas a partir de ladureza.

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