Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad en condiciones de imponderabilidad.

Esta invención propone un nuevo procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad,

partiendo de una masa de polvos en condiciones de imponderabilidad. La consolidación de la estructura particular se realiza preferentemente de manera cuasi-instantánea. Entre las ventajas del método, destacan la amplia variedad de materiales que pueden tratarse, el amplio rango de porosidades que pueden alcanzarse, su bajo consumo de energía, y, en el caso de sinterización por descarga eléctrica, la funcionalización por alineamiento de la porosidad.

Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad en condiciones de imponderabilidad

Objeto de la invención

La presente invención tiene por objeto un nuevo método de fabricación de materiales metálicos de muy alta porosidad. Se trata de la consolidación de polvos mientras flotan en condiciones de imponderabilidad, alcanzándose mayor grado de porosidad y de una forma prácticamente instantánea. Entre sus ventajas destaca, su bajo consumo de energía al no alcanzarse temperaturas de fusión. La invención corresponde al área de transformados metálicos y puede aplicarse en la industria química y farmacéutica para el almacenamiento, distribución, control y filtrado de fluidos y en las industrias de la energía y aeroespacial para sistemas de intercambio de calor.

Estado de la técnica

Se definen las espumas metálicas como aquellas estructuras celulares constituidas por un metal sólido con porosidades por encima del 40%. La primera que se logró fabricar fue en 1948; para ello, se generó la evaporación de mercurio en el seno de un líquido durante la solidificación del mismo. Para evitar la toxicidad del mercurio, en 1956 se desarrollaron agentes espumantes que generaban gas por descomposición térmica, y así el gas provocaba la porosidad en el metal. A partir de entonces, se han desarrollado numerosos métodos de fabricación, tanto a nivel de investigación como a nivel industrial, algunos de los cuales parten de polvos metálicos [1-3].

Uno de éstos métodos se basa en producir una sinterización muy somera de los polvos metálicos, de manera que el cuerpo resultante muestre una cierta porosidad residual. La máxima porosidad que puede obtenerse por el procedimiento convencional corresponde a la existente en la masa de polvos suelta. [4-8]. Una variación de este proceso parte de partículas o aglomerados de polvo metálico, precalentadas a la temperatura de sinterización en condiciones de imponderabilidad, que son obligadas a depositarse sobre un substrato, generalmente mediante una corriente de gas portador [9].

Un segundo proceso incorpora al proceso anterior espaciadores, substancias como cera, otras de origen polimérico o de carácter inorgánico, en forma de polvo, que por su naturaleza no se consolidan con los polvos metálicos y que pueden ser eliminadas al final del proceso de fabricación. Dicha eliminación puede ser bien por incineración, lixiviación, etc. [10]

Un tercer proceso parte de metal fundido, en cuyo seno se insuflan gases. En un caso, gas inerte a alta presión queda formando porosidad que se mantiene al solidificar, o bien, en otro caso, mediante la disolución de gas en el metal líquido a presión, permitiendo su liberación controlada durante el proceso de solidificación.

Un cuarto tipo de procesos usa agentes espumantes. Mediante la adición de los mismos en una aleación fundida, controlando de forma muy precisa la presión durante el enfriamiento, o bien mediante la consolidación de un metal en polvo con el agente espumante, seguido de un calentamiento, que permita al agente espumante liberar un gas y así expandir el material durante la sinterización. [11]

En quinto y último lugar, debe mencionarse el uso de precursores. Se puede proceder mediante la electrodeposición o deposición en fase vapor de un metal sobre un precursor polimérico en forma de espuma, seguido de nuevo de una incineración y completa eliminación de dicho precursor en una etapa posterior. También existe un método de fabricación basado en la pulverización de metal fundido por aspersión sobre una base con la porosidad controlada o mediante el control de las condiciones de co-pulverización de un segundo material, que luego se pueda quitar [12]

Existe una gran variedad de productos metálicos porosos en el mercado (Alulight, Duocel, espumas de níquel, acero inoxidable, cobre, zinc, estaño...) obtenidos con alguno de los procedimientos anteriores, pero en esta invención se propone un nuevo método de fabricación que aporta una mayor versatilidad en las variables de trabajo, a la vez que logra una simplificación en el proceso.

El principal inconveniente que se encuentra con metales porosos fabricados mediante espaciadores, es la dificultad de poder eliminar completamente los agentes espaciadores añadidos para formar la espuma, así como tener que realizar una etapa extra en el proceso para realizar esa lixiviación o eliminación de los separadores. [13-14]

Hay aplicaciones que exigen una porosidad abierta [15-16]. En el caso de adición de agentes espumantes, por ejemplo, ocurre que en la mayoría de casos se obtienen espumas metálicas de celdillas cerradas, es decir, los poros no presentan cierta o ninguna conectividad; son poros individuales que encierran en su interior el gas inerte descompuesto en el proceso.

Ocurre también que cada método sólo se puede utilizar en un pequeño subconjunto de los metales, que además tendrán también una gama muy reducida y limitada de tamaños de poro y densidades relativas finales obtenidas. Así, por ejemplo, para espumas de aluminio de celdillas abiertas utilizando bolas cerámicas suaves como agentes espaciadores se obtiene un grado de porosidad de hasta el 90%, con un tamaño de celdillas entre 3 y 5mm. Para espumas de acero conseguidas mediante la adición de agentes espumantes, el grado de porosidad alcanzado es menor, entre 36% y el 62%, aunque también se ve reducido el tamaño de las celdillas, quedando ahora en 1mm aproximadamente, pero cerradas.

Con el método de fabricación de la invención se aporta no sólo una mayor versatilidad en el tipo de metal a usar, sino que también se logra ampliar el rango de porosidades finales obtenibles simplemente variando tanto las condiciones iniciales del proceso como las de ejecución.

Se aprovecha la ruta pulvimetalúrgica sin necesidad de espaciadores que tengan que ser eliminados posteriormente.

Además, la sinterización realizada mediante descarga eléctrica provoca también un cierto alineamiento de los poros debido al paso de corriente, abriendo camino al desarrollo de nuevas aplicaciones que aprovechan esa direccionalidad.

Y cabe destacar, por último, que se reduce de forma importante el consumo de energía porque no hay que alcanzar temperaturas de fusión y la consolidación se produce de manera prácticamente instantánea.

Referencias:

[1] Varios autores. Porous Metal Design Guidebook. Metal Powder Industries Federation Publishers, 1980.

[2] Nakajima H. Fabrication, properties and application of porous metáis with directional pores. Progress in Materials Science, 52(7) 2007, pp. 1091-1173.

[3] Srivastava VC, Sahoo KL. Processing, stabilization and applications of metallic foams. Art of Science. Materials Science-Poland, Vol. 25, Núm. 3 (2007), pp. 733- 753.

[4] Montes JM, Rodríguez JA, Gallardo JM, Herrera EJ. Sinterización Por Resistencia Eléctrica: una Prometedora Alternativa al Procesado Pulvimetalúrgico Convencional. Deformación Metálica, Vol. 28, Núm. 266 (2002), pp. 76-81.

[5] Huang X, Franchi G. Design and fabrication ofhybrid bi-modal wick structure for heat pipe application. J Porous Mater 15 (2008), pp. 635-642.

[6] Huang X, Franchi G, Cai F. Characterization of porous bi-modal Ni structures. J Porous Mater 16 (2009), pp. 165-173.

[7] Grasso S, Sakka Y, Maizza G. Electric current activated/assisted sintering (ECAS): a review of patents 1906-2008. Science and Technology of Advanced Materials, 10 (2009).

[8] Bender SD, El Wakil SD, Challvendra VB. Fabrication and characterization of powder metallurgy parís having porosity gradient. Powder Metallurgy Vol. 54, Núm. 5(2011), pp. 599-603.

[9] UK Patent Application BG 2 243 841 A: Method for manufacturing components or component coatings using weightless conditions. 1991.

[10] Chou KS, Song MA. A novel method for making open-cell aluminum foams with soft ceramic balls. Scripta Materalia, 46 (2002), pp. 379-382.

[11] Park C, Nutt SR. PM synthesis and properties of Steel foams. Materials Science and Engineering A 288 (2000) pp. 111-118.

[12] Fernández P, Cruz LJ, Coleto J. Procesos de fabricación de metales celulares. Parte II: Vía sólida, deposición de metales, otros procesos. Revista de Metalurgia, 45 (2) 2009, pp. 124-142.

[13] Bakan Hl. A novel water leaching and sintering process for manufacturing highly porous stainless Steel. Scripta Materalia, 55 (2006), pp. 203-206.

[14] Esen Z, Bor §. Processing of Titanium foams using spacer partióles. Scripta Materalia 56 (2007), pp. 341-344.

[15] Gongalves E, Celso M, Bazzo E, Pereira FM. Manufacturing and microstructural characterization of sintered nickel wicks for capillary pumps. Materials... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad caracterizado por las siguientes etapas:

a) Suspensión de las partículas del polvo metálico a tratar en condiciones de imponderabilidad. Para ello se confina la masa de polvo a procesar en un contenedor inerte. Posteriormente, el contenedor se somete a una o varias de las operaciones siguientes:

a.1.- Vuelo parabólico y/o caída libre y/o otros procedimientos que produzcan una aceleración absoluta máxima de la masa de polvos de 0.2 g en cualquier dirección del espacio.

a.2.- Aplicación de un campo sonoro con una frecuencia entre 20Hz y 20kHz, presión sonora mayor de 5-10"1 N/m2. a.3.- Aplicación de un campo eléctrico alterno con una frecuencia menor de 120Hz, y una intensidad de campo menor de 100kV/m.

a. 4.- Aplicación de campos magnéticos multidireccionales de frecuencias controladas, menores de 120Hz, y una intensidad de campo entre 2 y 5 kA/m.

b) Una vez alcanzada y mantenida la condición de imponderabilidad, se realiza la consolidación de la masa de polvo, preferentemente pero no exclusivamente, por el procedimiento siguiente:

b. 1.- Haciendo pasar a través de la masa de polvos una corriente eléctrica de elevada intensidad, preferentemente pero no exclusivamente, mediante la descarga de una batería de condensadores precargados a 800V.

2. Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad según reivindicación anterior, caracterizado porque el polvo metálico puede ser cualquier metal y la cantidad de polvo en el contenedor oscila entre un máximo de 1 centímetro cúbico de polvo sin compactar por centímetro de contenedor, y un valor mínimo de 0,05 centímetros cúbicos de polvo sin compactar por cada centímetro cúbico de contenedor.

3. Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el polvo metálico pueda ser un vidrio metálico y la cantidad de polvo en el contenedor oscila entre

un máximo de 1 centímetro cúbico de polvo sin compactar por centímetro de contenedor, y un valor mínimo de 0,05 centímetros cúbicos de polvo sin compactar por cada centímetro cúbico de contenedor.

4. Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad según

reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el contenedor inerte, y por tanto, la pieza final, pueden ser de geometrías simples como un cilindro, o hacerse más complicada, incluso formas huecas.

5. Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad según

reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procedimiento descrito, incluyendo todas las etapas, tiene lugar en un corto espacio de tiempo, preferentemente menor a 5 segundos.

6. Procedimiento de fabricación de material metálico de alta porosidad según

reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la consolidación del material puede realizarse mediante la mezcla previa del polvo metálico con aglutinantes, que luego son fundidos mediante la aplicación de microondas. Los aglutinantes deben ser posteriormente eliminados en una 20 etapa de sinterización convencional. A esta variante del proceso, no es de

aplicación la reivindicación 3 anterior.