Estado del Arte Desarrollo de TiMMCs vía prensado en caliente. Capítulo 2 ESTADO DEL ARTE

Transcripción

1 Estado del Arte Desarrollo de TiMMCs vía prensado en caliente Capítulo 2 ESTADO DEL ARTE 31

2 Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla 32

3 Estado del Arte Desarrollo de TiMMCs vía prensado en caliente 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 Titanio y sus aleaciones El titanio se descubrió hace al menos 200 años. Sin embargo, su producción comercial no comenzó hasta A partir de ese momento, el titanio fue reconocido por su importancia estratégica, peso ligero, alta resistencia, estructuralmente eficiente, etc. La producción mundial de este metal y sus aleaciones ha crecido desde entonces. Durante los últimos 20 años, el titanio y sus aleaciones han madurado más rápido que cualquier material estructural en la historia de la metalurgia. El crecimiento del uso del titanio en aplicaciones muy diferentes ha desembocado en una gran demanda en ingeniería [6]. Hoy en día, las aleaciones de titanio son un poco más comunes, compitiendo con el acero, así como aleaciones de cobre, níquel y compuestos. Son muy utilizadas en el sector aeroespacial, en la industria y en aplicaciones de consumo; inclusive en la generación de energía, residuos nucleares, etc. Se podría decir que tiene infinidad de aplicaciones. Una gran parte del coste del titanio es la necesidad de reducir los óxidos o cloruros de titanio a la forma metálica. El actual proceso de reducción industrial, ideado por Kroll, es de intensiva energía y por lotes. Actualmente, hay varias iniciativas en marcha para la reducción. Son métodos para producir cualquier titanio metálico o aleación de titanio por co-reducción de cloruros. Varios de estos métodos han demostrado ser factibles a escala de laboratorio, pero con grandes cantidades de producción, está resultando más difícil de lo que se había pensado. Actualmente, el mercado del titanio está dominado por la industria aeroespacial. Esto hace que, dependiendo de la demanda, el metal tenga grandes variaciones de precio. Sin embargo, informes recientes muestran que la industria tradicional está manifestando un interés creciente por los materiales basados en titanio debido a las nuevas tecnologías. La pulvimetalurgia jugará un papel fundamental en un futuro próximo [19]. 2.2 Pulvimetalurgia La metalurgia de polvos o pulvimetalurgia tiene su nacimiento en las civilizaciones antiguas en la fabricación de joyas. Pero es a principios del siglo XX cuando gana fuerzas. 33

4 Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla En la Segunda Guerra Mundial se desarrollan gran variedad de materiales férreos, produciéndose una expansión mundial del procesado. En sus comienzos, los productos de la pulvimetalurgia se centraban en su bajo coste de fabricación, pero los componentes producidos por otros métodos poseían mejores propiedades. Esta situación es completamente diferente desde los años 80. Las propiedades mecánicas han mejorado tanto que son utilizados incluso en la industria aeroespacial. Los Estados Unidos, seguidos de Europa y Japón, son los mayores consumidores de los productos obtenidos mediante PM. Del año 1992 hasta el 2000, el consumo fue incrementado de t a t en el país americano, siendo el incremento en Europa igual de notable. Con el comienzo del siglo XXI, la PM ha cobrado más fuerza que las técnicas convencionales, no sólo en Estado Unidos, Europa y Japón, sino en todo el mundo. 2.3 Pulvimetalurgia del Titanio El desarrollo de las nuevas tecnologías de extracción de titanio, que producen titanio elemental directamente en forma de polvo, sitúa a la PM en un puesto estratégico para la fabricación de componentes de titanio. La disminución de coste del material base, junto a la economía de los procesos pulvimetalúrgicos, hacen más viable la diversificación de la industria del titanio, lo que permitiría alcanzar volúmenes de producción capaces de popularizar el metal y estabilizar su precio [20]. 2.4 Matriz metálica compuesta (MMCs) Los materiales compuestos existen desde la antigüedad, pero como actualmente se conoce, es decir, la combinación de uno o más elementos de refuerzo y una matriz, aparecen a mediados del siglo XX. El desarrollo de este tipo de materiales vino como consecuencia de la creciente demanda de materiales con elevadas prestaciones en los sectores más innovadores, como son la aeronáutica, defensa y espacio. Los materiales compuestos se están abriendo pasos en la industria. Sin embargo, existen problemas de incompatibilidad matriz-refuerzo tales como reactividad, diferencia de 34

5 Estado del Arte Desarrollo de TiMMCs vía prensado en caliente densidades, mala transmisión de esfuerzos...etc. Debido a ello, aunque estos materiales tienen un prometedor futuro, se han incorporado a la industria poco a poco, investigando primero la asequibilidad económica, así como las ventajas frente a los materiales convencionales [21]. Los primeros compuestos estuvieron constituidos por un polímero al que se le añadía una fibra como refuerzo. La aparición de los plásticos reforzados constituyó una auténtica revolución en el mercado de materiales en las década de los 40. Poco a poco surgieron los compuestos de matriz cerámica y metálica. Sin embargo, la posibilidad de que los compuestos pasen a ser un material de altas prestaciones y a convertirse en un material cuya aplicación en componentes comerciales sea rentable económicamente, depende de varios factores principales, entre los cuales se han de destacar la capacidad de producción a gran escala, grado de fiabilidad en sus propiedades, así como coste de fabricación y materias primas. Los materiales compuestos de matriz metálica (MMCs) surgieron en los años 70 en Estados Unidos, como consecuencia de programas de investigación espacial y de defensa. Seguidamente, países europeos como Alemania o Reino Unido, empezaron a investigar sobre su desarrollo. Aunque fue en Japón, donde dieron un gran salto en la industria espacial con motivo de aligerar el peso de los componentes de automoción. En 1982, los MMCs se introdujeron en la industria del automóvil, formando parte del pistón del motor diesel de Toyota. Se tuvo que reducir en gran medida los costes derivados de las tecnologías de fabricación de dichos materiales. Desde entonces, el campo de investigación de los materiales compuestos ha crecido considerablemente. Varios estudios llevados a cabo a finales de los años ochenta por la empresa Business Communications Company (BCC) y por Kline and Company, predecían un 22 y 28% respectivamente de crecimiento anual en el sector comercial para los compuestos de matriz metálica hasta el año Estas predicciones han sido acercadas en cierto modo. Sin embargo, se esperaba el gran despegue en el período comprendido entre 1993 y el año No obstante, se cree que se dará en los próximos 5 años. 35

6 Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla En España todavía el número de proyectos relacionados con los MMCs es muy escaso. La mayor parte de ellos se centran en aspectos muy puntuales en caracterización de materiales comerciales e investigación básica, mientras que ha habido muy poco esfuerzo hacia el desarrollo de componentes reales, procesos de fabricación al nivel de planta piloto o investigación en nuevos MMCs Casi todos ellos se han desarrollado bajo el marco de proyectos europeos, con excepción de algunos proyectos privados que han tenido muy escasa difusión. Tanto por los datos de ventas como de investigación y desarrollo anteriormente expuestos, se puede concluir que los compuestos de matriz metálica son un campo de gran desarrollo y rápida introducción en el sector comercial y aeronáutico. Sin embargo, el mayor interés lo acaparan las aplicaciones en automoción, existiendo un gran crecimiento en todos los sectores, en especial en el aeronáutico y espacial, que sigue constituyendo el marco en el cual se desarrollan las principales innovaciones. 2.5 Compuesto de matriz metálica de Titanio (TiMMCs) Los especialistas en la industria aeroespacial buscan constantemente materiales ligeros y con alta resistencia para reducir el peso y mejorar el rendimiento de las aeronaves que se fabrican. Los compuestos de matrices metálicas de titanio (TiMMCs) han proporcionado dichos objetivos. Desde la década de los 60 hasta el día de hoy, la calidad y los costes de producción han cambiado considerablemente. Ahora los TiMMCs son cada vez más rentables. En los últimos 30 años, los materiales compuestos han potenciado su utilización al tener la capacidad de soportar temperaturas de en torno a 800ºC, reducir su peso en un 50%, elevar el rendimiento, entre otros. Sin embargo, el alto coste de implementación es una barrera aún bastante importante. Es por ello que se suele utilizar en aplicaciones con poco volumen para que los costes de operación sean rentables. La disponibilidad de la variedad de enfoques ahora, permite fabricar compuestos seleccionando el método más adecuado para cada componente en particular dependiendo de su uso [22]. 36