Procesamiento coloidal para la obtención de materiales compuestos nanoestructurados metal-intermetálico mediante técnicas pulvimetalúrgicas.

La pulvimetalurgia es un método de procesamiento de materiales metálicos en el que unos polvos metálicos de partida son compactados y posteriormente transformados mediante un tratamiento térmico en un material metálico por debajo de su punto de fusión. El método coloidal desarrollado en esta invención permite obtener materiales compuestos nanoestructurados, dopando las partículas metálicas de partida con alcóxidos metálicos para poder obtener "in situ" nanopartículas metálicas (intermetálicos) cuando se procesan estos polvos por el método pulvimetalúrgico tradicional

Procesamiento coloidal para la obtención de materiales compuestos nanoestructurados metal-intermetálico mediante técnicas pulvimetalúrgicas.

Sector de la técnica

Componentes metálicos para aplicaciones estructurales en los sectores del automóvil, industria aeronáutica, biomateriales, etc.

Estado de la técnica

La pulvimetalurgia es un método de procesamiento en el que se utilizan metales y óxidos metálicos en polvo, que se comprimen a elevadas presiones a temperatura ambiente para obtener la resistencia en verde requerida. Posteriormente, se efectúa la sinterización en un horno con una atmósfera generalmente inerte, siendo en esta etapa donde se enlazan las partículas de polvo entre sí, desarrollándose así las propiedades físicas y mecánicas deseadas.

La pulvimetalurgia ofrece varias posibilidades para mejorar las propiedades del material, como por ejemplo (www.epma.com):

Los materiales compuestos de matriz metálica (MCMM) son producidos por fusión y por métodos pulvimetalúrgicos. En el caso de la pulvimetalurgia, se producen compuestos de matriz metálica reforzada sin que se presenten los fenómenos de segregación típicos de los procesos de fusión. Un parámetro muy importante a tener en cuenta en este tipo de procesamiento es que todas las partículas estén homogéneamente distribuidas en la mezcla para obtener una buena microestructura, ya que esta juega un papel muy importante en las propiedades mecánicas del compuesto (Torralba, J.M., Da Costa, C.E., and Velasco, F., P/M aluminum matrix composites: an overview. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 133, 203-206) (Fogagnolo, J.B, Robert, M.H., Ruiz-Navas, E.M., and Torralba, J.M., 6061 Al reinforced with zirconium diboride particles processed by conventional powder metallurgy and mechanical alloying. Journal of Materials Science, 2004, 39, 127-132).

En la actualidad, una nueva familia de partículas de reforzamiento, los intermetálicos, está siendo estudiada para mejorar ese comportamiento estructural de la matriz metálica (Torralba, J.M., Da Costa, C.E., and Velasco, F., P/M aluminum matrix composites: an overview. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 133, 203-206) (Da Costa, E., Zapata, W.C., Velasco, F., Ruiz Prieto, J.M., and Torralba, J.M., Wear behabiour of aluminum reinforced with nickel aluminude). Los intermetálicos tienen una estequiometría simple, como por ejemplo: Ti₃Al, NiAl, Be₁₇Nb₂, etc.. Están constituidos por dos o más enlaces metálicos, pero a diferencia de los metales ordinarios, éstos tienen enlaces que son parte metálicos, parte covalentes y parte iónicos. Debido a su enlace mixto, estos materiales son más livianos, rígidos y resistentes a la corrosión que los metales, particularmente a altas temperaturas. Esta mezcla de enlaces les confiere unas propiedades que son intermedias entre los materiales metálicos y cerámicos (Russell, A.M., Ductility in intermetallic compounds. Advanced Engineering Materials, 2003, 5, 629-639). En general, para la introducción "in-situ" de las nanopartículas intermetálicas se siguen diversos procedimientos como por ejemplo las reacciones existentes entre el elemento metálico con metales fundidos para conseguir una buena dispersión e interacción matriz-intermetálico, empleando para ello diversas tecnologías como DMR (direct melt reaction), DIMOX (directed melt-oxidized), entre otras (Zhao, Y.T., Cheng, X.N., Dai, Q.X., Cai, L., Sun, G.X. Crystal morphology and growth mechanism of reinforcements synthesized by direct melt reaction in the system Al-Zr-O, Mater. Sci. Eng. A, 360, 315-318).

En nuestra invención, se ha tenido en cuenta una característica fundamental que está presente en la mayoría de los metales: la capa nanométrica de óxido que los recubre y pasiva frente a la atmósfera de su entorno (Fig. 1). Esta capa oxídica que envuelve a los metales impide la difusión del oxigeno hacia los mismos y les hace ser inertes frente al medio. La estructura composicional de esta capa es compleja pero en el caso del aluminio, por ejemplo, consta fundamentalmente de una zona interna próxima al metal de naturaleza amorfa oxídica-hidroxídica que paulatinamente da paso a una película final de bayerita, Al(OH)₃ (Nsoki, P., Characterization of aluminum hydroxide thin film on metallic aluminum powder, Materials Letters, 2003, 2907-2913).

Hasta el momento no se han encontrado, en la literatura revisada, investigaciones llevadas a cabo siguiendo el método coloidal que aquí se propone, con el objeto de obtener compuestos nanoestructurados de matriz de metálica (Al, Ti, Cu, etc) y con una segunda fase intermetálica (Ti, Zr, Mo, Ni, etc.). En el aluminio, por ejemplo, existe una amplia variedad de fases intermetálicas que actúan como refuerzo en la matriz del compuesto (Zheng, Q., Wu, B., and Reddy, R., In-situ processing of Al alloy composites. Advanced Engineering Materials, 2003, 5, 3, 167-172) (Zou, J., Fu, C.L., and Yoo, M.H., Phase stability of intermetallics in the Al-Ti system: A first-principles total-energy investigation. Intermetallics, 1995, 3, 265-269) y han sido objeto de muchos estudios, debiéndose al carácter altamente electronegativo y trivalente de dicho metal (Ye, H., An overview of development of Al-Si-alloy based material for engine applications. ASM International, JMEPEG 12, 2003, 288-297). Las aleaciones de titanio son también otro claro ejemplo de materiales compuestos de matriz metálica con una amplia variabilidad de aplicaciones industriales dado su elevada resistencia mecánica y ligereza de peso (Choubey, A., Basu, B., and Balasubramaniam, R., Electrochemical behaviour of intermetallic Ti₃Al-based alloys in simulated human body fluid environment. Intermetallics, 2004, 12, 679-682).

En esta invención se ha conseguido la síntesis "in-situ" de nanoparticulas intermetálicas para que actúen como refuerzo dentro de la matriz metálica. La reacción superficial que se plantea en los granos del metal es la de hidrólisis entre el alcóxido metálico y esa capa de pasivación que dichos granos metálicos poseen.

Descripción de la invención

En esta invención se describe un procedimiento totalmente nuevo para la incorporación de nanoparticulas intermetálicas en una matriz metálica empleando una metodología coloidal al trabajar con polvos metálicos. Este nuevo método se fundamenta en esa característica propia de los metales de poseer una capa oxídica que los recubre en contacto con la atmósfera. Dicha capa es aprovechada como sustrato para hacer posible sobre ella las reacciones que en la misma se verifican y con ello la aparición de las nanoparticulas. La morfología de éstas dependerá de la estructura cristalina del intermetálico formado, desde tipo "whisker", con anchuras promedio entre los 150-200 nm y unas longitudes promedio entre las 0,6 y 2 micras, o bien de tipo globular, etc.. La concentración de estas partículas intermetálicas puede estar entre 0,1-50% en peso. El polvo de metal que se utiliza puede tener un tamaño de partícula nanométrica (< 200 nm) o bien micrométrica (< 50 micras).

La obtención de los materiales compuestos nanoestructurados de metal con nanopartículas dispersas de intermetálicos de Ti, Zr, Mo, etc., se lleva a cabo con los siguientes productos:

El procedimiento seguido se describe a continuación, siempre trabajando en la cámara de guantes bajo una atmósfera de flujo continuo de nitrógeno de alta pureza (99,9%):

1. Procedimiento para la obtención de materiales compuestos nanoestructurados metal-intermetálico mediante técnicas pulvimetalúrgicas caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el polvo metálico de soporte puede ser cualquier elemento metálico de la Tabla Periódica susceptible de formar sobre su superficie una película oxídica de protección.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el alcóxido metálico simple, doble o múltiple (heterometálicos) a emplear puede ser el que se sintetice con los elementos metálicos de la Tabla Periódica, estando la concentración de la fase metálica para obtener el intermetálico comprendida entre 0,1 - 50% peso.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los polvos conformados se tratan según los métodos tradicionales pulvimetalúrgicos, sinterización en horno convencional en atmósfera controlada, prensado isostático en caliente (HIP), prensado uniaxial en caliente, spark plasma sintering, etc.

5. Uso de los compuestos nanoestructurados metal-intermetálico mediante técnicas pulvimetalúrgicas de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, especialmente como componentes metálicos para aplicaciones estructurales.

6. Uso de los compuestos nanoestructurados metal-intermetálico mediante técnicas pulvimetalúrgicas de acuerdo con las reivindicaciones anteriores como componentes estructurales particularmente en los sectores del automóvil, industria aeronáutica, biomateriales.