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Fabr icac in compor tamiento de espumas de a luminio condiferente densidad a partir de un precursor AISi12(,)

J. A . Gutirrez-Vzquez y ]. O o ro

esumen Se han fabr icado espumas de a luminio de poro cer rado, de t res d i ferentes rangos de dens idad, u t i l izando un prA lS i l 2 p ro duc ido po r pu lv ime ta lu rg i a . E l o b j e t i vo h a s i do de t e r m in a r e l e f ec to qu e t i ene la dens idad de e s to sr i al e s r e spec to a su com p or t a mi e n t o m e c n i c o . E l p r e c u r s o r u t i l i z ado co n t e n a u n 0 ,4 % d e h id ru ro de t i t an io 2)como agen t e e spuman te , me zc l a d o c on a l um in io y s i l i c i o e n c an t i d ad es adec u a d as p a r a l o g ra r l a compos i c imerc i a l de l p r ecu r so r A lS i l 2. U na v ez c o r t a d a s la s mu e s t r a s , se e f e c tu a r o n t r a t a m i e n t o s t r m ic o s de e spumac in e nt re 630 y 750 C, a t i empos d e e s pu mac i n va r i a b le s e n t r e 3 y 20 m in . Se d e t e rm ina ro n l as m e jo r e s co nd i c iones so l id i f icac in para evi tar e l co lapso mediante a i re forzado. Las muest ras se prepararon con e l mismo peso a d it e s dens idades , hab i n d ose ob t e n i do , qu e e l m e jo r co mpo r t a mi e n t o me cn i co s e l o g raba en l a s e spumas de mdensidad, compr endi das ent re 0 ,70 y 0 ,81 g /cm3,

Palabras c lave Esp u rna s de a lumin io ; P r e cu r s o r ; E s p um a c i n ; A g e n t e e sp u m a n t e .

Production and behaviour of aluminium foams with different density byAIS12 precursor

bstract Closed ce l l a l um in iu m foams we re p r epa re d b y po wd e r m e t a l l u rg i ca l me th o d i n t h r e e d i f f e r en t r anges o f deus ing A lS i l 2 p r ecu r so r. Th e ob j ec t i v e h a s be e n t o d e t e rm i ne by mea n s o f t e s t s t h e e f f e ct t h a t ha s t he dens i t y s e ma t e r i a l s r ega rd ing i t s mec ha n i ca l behav iou r. The u s ed p r ec u r s o r con t a ined 0 . 4% o f f oaming agen t o f t i t ahyd r ide (TiH2) , m ixed w i th a l um in u m a n d s i li co n i n ap p r op r i a t e am o u n t s t o a c h i ev e t h e co m m erc i a l compo s i t i ont h e A l S i l 2 p recursor. O nce cu t the samples the rma l t rea t me nts of foaming were made of 630 C to 750 C, by 20 minu t e s . The be s t so l i d i f ic a t i on co nd i t i ons we re de t e rm i ne d t o av o i d t he co l lap s e by m eans o f f o r ced a irsamples were prepared wi th the same weight to d i fferent dens i t ies , having i t se l f obta ined tha t the bes t mechanichaviour was achieved in the h igh dens i ty foams, of 0 .70 to 0 .81 g /cm

K e y w o r d s Al um in ium foams; P r ecu r s o r ; Fo am i n g ; Foaming a ge n t .

1. INTRODUCCIN

Los materiales porosos son nu evo s materiales ultrali-geros qu e o frecen u na gran variedad de aplicacionesestructurales y funcionales'1'3 . Las espumas metlicas son un caso particular de los mismos, donde elgas se e ncu ent ra disperso en la matriz m et lica. Estamorfologa maximiza el re a superficial, en la cual elgas ocupa del 50 al 90 % del volumen total, obtenindo se muy baja densidad (de 0,3 a 0,8 g/cm3). Enparticular, las espumas de aluminio, debido a su bajadensidad, resistencia a la corrosin y un pu nto de fusin relativamente bajo que las hace fcilmente

manejables, poseen interesantes combinaciones depropiedades mecnicas y fsicas'4 y 5' qu e les otorgan,entre otras caractersticas, alta tenacidad y gran absorcin de energa de impacto, hacindolas atractivaspara aplicaciones en las industrias automotriz, aero-espacial y naval. Tambin, son u tilizables e n carpintera met lica y construcciones civiles en ge neral, yaque estos materiales poseen buena capacidad paraaislamiento acstico, alta rigidez especfica, absorcin de vibracin y elevada disipacin de calor.

Las espumas de aluminio puede n fabricarse por diferentes mto dos'6 y 7l Entre los ms utilizados se encu ent ran la fundicin, t cnicas pulvimetalrgicas y

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deposicin. La pro duccin por pu lvimetalurgia es unm t o d o d e s a r r o ll ad o y p a t e n t a d o p o r e l I n st i t u t oFraunhofer de Brem en, A lem ania , en 1990 '8l Estat cnica es especialme nte atractiva po r su facilidad pa

ra produ cir piezas con formas definidas, a costos razonablem ent e bajos . El m to do consiste e n fabricar unprecursor espumable que mezcla metal en polvo conu n agente e spumante y algn refuerzo para aum entarla viscosidad de la fundicin'9 y 1 0] La forma de producir un precursor es comprimir los polvos premezcla-dos en un bloque sl ido estanco, para que cuando elespumado tenga lugar el gas no escape al exterior delmater ia l . Esto se consigue por compactacin de lospolvos, seguida de una extrusin en fr o . Durante laespumacin el precursor se calienta a la temper atura dedescomposicin del agente espum ante. Cu ando se ut i

liza, e l hidrur o de t i tanio (TiH2) comie nza a descomponerse a temperaturas entre 325 y 400 C ^n\ aunque el proceso de espumacin alcanza su mayor rendimie nto e ntre 520 y 670 C ^2\ l iberando hidrge no,de forma uniforme, a lo largo del mater ia l en estadopastoso. La viscosidad del mate rial im pide q ue el gas escape del mismo, pudiendo controlarse la localizaciny tamao de los poros I13'15 . La estructu ra celular dela espuma produ cida con estos precursore s es estrechame nte depe ndien te de la t empe ra tura , l a p res in , e lt iempo de horneado y la a leacin usada. En cambio,presenta baja dependencia de la geometra del precursor duran te e l espumado. Es te m to do lo u t i l iza co-merc ia lmente Alu l igh t In te rnac iona l para p roduc i respumas de aluminio con porosidades entre 63 y 89 %y tamaos de poros de l o rden de mi l met ros '1 6 y 1 7l

Las propiedades fsicas y mecnicas de las espumasde aluminio dependen, en gran medida, de su densidad y de la estru ctur a del poro qu e las forma. Diversasinvestigaciones han evaluado la re lacin que mantiene la variacin de la densidad co n los valore s del mdulo elst ico, a largamiento, l mite e ls t ico, carga dero tur a y absorcin de e nerga de las espumas de aluminio I18'20 . G ibson y A shby ^ cuantifican el l mite elst ico de una espuma metl ica a t raccin o a compresin en funcin del lmite elstico de la pared del poro,la densidad y el espesor de la pare d celular. U n au me nto en la densidad supone un aumento en el l mite elst i co , pero o tros parme tros geom tr icos son, tambin,significativos, com o el espesor de la pared del po ro , elnme ro de po ros por u nidad de superficie y el volu me nde los poro s por u nidad de volu me n. A simismo , la dist r ibucin del tamao de los poros, especialmente lapresencia de poros pequeos localizados en la piel delas espumas, aumenta la rigidez y, por tanto, la resis

tencia de las piezas. Conocer la variacin de las propiedades mec nicas para u n mismo precursor e n funcinde su grado de e spumacin, perm itir avanzar en e l conocim ie nto de las mejores co ndiciones de aplicacin

de las estructuras espumadas en funcin de sus requerimi ento s en servicio, ya que es posible fabricar estructuras mixtas donde los grados de espumacin varande u na parte s a otr as de la pieza.

En el presente trabajo se estudian las propiedadesmecnicas de la espuma de aluminio con diferentesdensidades, par t i en do , todas e l las, de u n mismo precursor, A 1S2, obt eni do po r pulvimetalur gia . La obtencin de las diferentes espumas se consigui ut i l iz ando mo ldes de d i f e r en t e s vo lmenes , pa r t i endosiempre de un precursor con la misma composicinqumica, geometr a y peso. De esta forma, las muestras obte nidas tenan s iempre u n peso y co mposicinqu mica s imilar y la var iacin de pro piedades e ra debida a su densidad y a la estructura de los poros. Sehan estudiado tambin las diferentes condiciones de

e spumac in: t empe ra tu r a y t i empo , y la ge o me t r ade poros obtenida en cada caso.

2. MATE RIALES Y TC NICAEXPERIMENTAL

2.1 . Elaboracin de las muestras

El proceso de espum ado se realiza a par t i r de u n precursor AISi l 2 fabr icado por Alul ight , mediante pul

vimetalurgia . El precursor A1S2 presentaba, antesde espumar, una microe s t ruc tura cons i s ten te e n unamatr iz de aluminio con la presencia de s i l ic io y part culas del agente espumante (TiH2) (Fig. 1). El precursor comenzaba a espumar, segn el fabr icante , a570 C a presin atmosfr ica . Las muestras de precursor ut i l izadas en los ensayos tenan forma ci l indrica de 1,3 cm de di me tro y 5 cm de longi tud, con

Figura 1. Microestructura del precursor AIS12.

Figure 1. Microstructure ofthe AISH 2 precursor.

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u n peso pro medio de 10,38 g. El co nten ido de agente e spumante era del 0,4 % de TiH2, habindose o btenido espumas de aluminio con tamao de poro entre 0,3 y 1,0 mm y densidad entre 0,50 y 0,81 g/cm3,

con una porosidad comprendida entre el 63 y el 89 %.El precursor se introdujo en tres moldes de acerocon volumen interior de 13,9 cm3, 16,2 cm3 y 18,5cm3, los cuales fue ron precalentado s a 500 C por 15min para reducir el tiempo de espumado. Las muestras fueron espumadas en un horno de mufla a temperaturas entre 570 y 750 C, durante intervalos de3 hasta 20 min.

Coincidiendo con las especificaciones del fabricante, el precursor comienza a espumar a los 570 C,manteniendo un comportamiento trmico aparentemente lineal acelerndose el proceso de espuma-cin al superar los 650 C. A partir de los 675 C,comienza una disminucin del volume n de la espumade aluminio debido a que la viscosidad disminuye,aumenta el drenaje del metal adelgazndose las paredes de los poros hasta valores donde no pue den retener el gas producindose la ruptura de las paredescelulares y el colapso de los poro s'21] (Fig. 2).

La morfologa de las espumas obtenidas a diferentes temper aturas y tiempos presenta mejor estructura celular cuando las espumas se o btie nen a 670 C.Esta tempe ratu ra se ha u tilizado para analizar el proceso de espumacin, sometiendo a diferentes muestras de precursores a intervalos de espumado entre 3y 20 min, en mo ldes de 18,5 cm3. La expansin obtenida durante la espumacin en funcin del tiempoprese nta tres e tapas: iniciacin, pico de e xpansin ycolapso (Fig. 3). La primera etapa de iniciacin se

EXPANSIN RELATIVA AISM235D

300

: 6 3

2QC1E.D

100

50

a

*

10 15Tiempo [min]

20

Figura 3. Expansin relativa en funcin del tiempo en el horno a 6 70 C , Molde de 18,5 cm3 pre-calentado.

Figure 3. Relative expansin versus time in thefurnace to 670 C . Preheatedmould of 18 5 cm3.

produce du rante los primeros 4 min de tratamie nto .La segunda etapa, consistente en un pico de expansin, entre los 5 y 7 min de tratamiento. Posteriorme nte (tercera e tapa), comienza el colapso de los poros y el escape del gas, disminuyendo el valor de laexpansin. La descomposicin del hidruro no se realiza en forma gradual y homo gne a'10' sino que seproduce una liberacin sbita de hidrogeno provocando u n espumado rpido de la mue stra de precursor, formando as una e spuma co n paredes finas y poros grandes para tiempos de tratamie nto corto s. Estosporo s no son estables y tie nden a colapsar al aumentar el tiempo de tratamie nto (Fig. 3).

Espumacin a 63 0 C Espumacin a 65 0 C Espumacin a 660 C

Espumacin a 680 C Espumacin a 700 C Espumacin a 750 C

Figura 2. Espumas ordenadas en temperaturas crecientes de horno.

Figure 2. Foam s orderly in growing tem peratures offurnace.

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Los tiempos de espumado idneos dependen, tambin, del volumen del molde a llenar, de tal manerase determin que las mejores caractersticas de llenado del molde, estructura celular y tama o de porose obtenan a 670 C, con un tiempo de espumacinde 6 min para los moldes ms grandes (18,5 cm3),3,5 min para los moldes interm edio s (16,2 cm3) y 3min para los moldes ms pequeos (13,9 cm3)(Fig. 4). En el proceso, el mo lde se pre calentaba durante 15 min ya qu e se observ qu e si el precurso r secolocaba en el molde fro el tiempo de espumacin eramas largo y no alcanzaba a llenarlo por com pleto alproducirse gradientes de temperatura importantes enel precursor dur ante el espumado.

La obtencin de una buena geometra final tambin dependi de la forma de enfriamiento. Las

muestras enfriadas bruscamente en agua (Fig. 5-a)presentaban las paredes exteriores notablemente

rugosas, adems de sufrir u n sbito co lapso o hu ndimie nto en, al menos, una de las caras; esto, era debido al gradiente trmico producido entre unas zonas y otras de la espuma formada. Para disminu ir elgradiente trmico se enfriaron las espumas en aguay aire (Fig. 5-b) y solo con aire, donde se o btuvo lamejor apariencia superficial y estructura celular (Fig5-c). Las espumas fabricadas presentaron pequeasrebabas de dimensiones variables que ocasionaronprdidas de material, lo que condujo a que las espumas obtenidas en cada molde no tuvieran unamisma densidad, aunque presentaron, en cada lote , pequeas variaciones. Las muestras finalmenteobtenidas tenan una porosidad cerrada y una pielexterior slida, consistentes en paraleleppedos de 55x 21 mm y espesor variable de 16, 14 y 12 mm, m an

tenie ndo u n peso pro medio de 10,38 g, con densidades entre 0,50 y 0,81 g/cm3.

Figura 4. Porosidad de espumas de aluminio de densidad entre 0,5 y 0,8 g/cm3 fabricadas a 670 Cy espumadas durante 5 m in.

Figure 4. Porosity of aluminium foam s ofdensity from 0.5 to 0.8 g/cm3 manufactured to 670 C andfoaming during 5 min.

Figura 5. Muestras representativas de espumas a 670 C enfriadas por: (a) agua, (b) agua y air(c) aire.

Figure 5. Representative samples of foams to 670 C cooled by: a) water b) water and air c) air.

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2.2. Ensayos mecnicos

Para caracterizar las propiedades de las espumas fabricadas, se han fabricado tres grupos de espumas de alu

minio de poro cerrado, con diferentes tamao s y densidades. El comportamiento mecnico se estudi sometiendo a las muestras a ensayos de compresin,traccin e impacto. Todos los ensayos se realizaron atemperatura ambiente (221 C).

Los ensayos de impacto se han realizado en u n pndulo de 300 J. Se ensayaron tres grupos de cinco probetas cada uno. El primero , corre sponde a espumas obtenidas con el molde de mayor capacidad (con densidades de 0,56 a 0,58 g/cm3); el segundo, correspondea espumas obtenidas con el molde de capacidad media (co n densidades de 0,60 a 0,67 g/cm 3 y el tercero,

a espumas obtenidas con el molde de menor capacidad (con un rango de densidad 0,71 a 0,76 g/cm3). Eltamao elegido para las probetas fue de 55 X 2 mm,combinando tres espesores distintos de: 16, 14 y 12mm. Los ensayos de impacto se realizaron golpeando lasmuestras en el sentido del espesor.

Los ensayos de compresin se realizaron en unamaquina universal de ensayos de accionamiento hidru lico M TS. La direccin de aplicacin de la cargafue perpendicular al espesor de las muestras. Las muestras ensayadas eran de se ccin rectangular, formandotres grupos de e nsayo , cada uno formado por seis probetas, con dimensiones: 28 X 2 X 16 mm (para el rango de densidades 0,56 a 0,60 g/cm3); 28 X 2 X 4 mm(para el rango de densidades 0,63 a 0,69 g/cm 3 y 28 X21 X 12 mm (para el rango de densidades de 0,70 a0,77 g/cm3). El ensayo a compresin se hizo a una velocidad de deformacin de 0,26 mm/s, a la cual noexistieron problemas de desplazamiento de las probetas; durante el ensayo la longitud de las muestras seredujo al 40 % de la longitud inicial.

Los ensayos de traccin se realizaron e n una mqu ina universal hidrulica MTS con u na velocidad de desplazamiento de 0,2 mm/s, mantenindose constante

durante todo el desplazamiento. Las muestras fuero n fabricadas en tres tamaos, ensayndose cinco probetasde cada geometra, con dime nsiones: 55 X 2 X 16 mm(condensidades entre 0,56 y 0,57 g/cm3), 55 x 2 x 14mm (con densidades entre 0,63 y 0,67 g/cm 3 y 55 x 21x 12 mm (con densidades entre 0,76 y 0,81 g/cm3).

3. RESULTADOS Y DISCUSIN

En el proceso de fabricacin de las espumas de aluminio, las mejore s caractersticas de estru ctura celular sehan obtenido espumando a 670 C. A esta temperatura, la viscosidad es suficiente para no dejar escaparel gas del interio r de la pieza que se encu entra en estado pastoso y permite o btener u na estructura homo gnea. Si el tiempo de espumado sobrepasa los 6 min, lasparedes celulares pie rden resistencia y los poros formados se co lapsan al sobrepasarse el tiempo ptimo detratamiento [ 22 y 23 l.

En la obtencin de las espumas, los parme tro s delproceso (volumen del molde, precalentamiento delmolde, temperatura de espumacin, duracin de la es-pumacin y composicin y distribucin de la mezcladel A l-TiH2) afectan dire ctamente al proceso de espumacin y a la estructu ra final de la espuma. La temperatura dur ante la espumacin deba mantenerse en u nrango adecuado. Cu ando la temper atura aplicada erabaja, el precursor no se e xpanda lo su ficiente para lograr la ocupacin completa del mo lde, presentado u ncrecimiento pobre de poros. Por otro lado, cuando latemper atura de calentamiento era alta, el precursor secolapsaba r pidamente . Utilizando la tempe ratura adecuada de calentamie nto el precursor A lSil2/TiH2 alcanzaba la mxima expansin y, esta, se mant en a du rante un corto periodo de tiempo, no superior a 3 minA,pero suficiente para permitir el enfriamiento de la muestra y la estabilidad estructural de la espuma formada.

Todas las muestras fabricadas han presentado gradientes e n la distribucin de tamaos de poro s (Fig. 6)

Figura 6. Tamao de poro de la espumas de aluminio de densidad (a) 0,56 g/cm3 (b) 0,66 g/cm

3 y (c)0,73 g/cm3.

Figure 6. Pore size of aluminium foams ofdensity a) 0.56 g/cm3 b) 0.66 g/cm3 and c) 0.73 g/cm3.

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donde predo minan los poros de mayor tam ao , de 1,0mm, e n las espumas de meno r densidad (Fig. 6-a); losporos de tam ao medio , de 0,6 a 0,7 mm, en las mue stras de densidad de media (Fig. 6-b) y la mayor cantidad de poros peque os, en torno a los 0,4 mm, la encontramos en las espumas de mayor densidad (Fig. 6-c).Se observ que los poros ms pequeos aparecan entodas las mue stras localizndose, predo minanteme nte , hacia los bordes; de igual forma, algunas de las muestras espumadas pre sentaban grandes poros, esto e s, debido a que la concentracin del agente espumante noestaba distribuida homogneamente en el precursor.

La microestructura de la matriz de la espuma dealuminio, muestra una aleacin de Al-Si obtenidapor solidificacin (Fig. 7), caracterizada por una redde dendritas de aluminio junto con el eutctico AISi.

Se ha detectado la presencia de TiH2 sin descomponer e n el interior de los poro s.

Las espumas de alum inio obte nidas con de nsidades diferentes, sujetas a ensayos de impacto, mostraron un comportamiento de aumento progresivo dela energa absorbida en funcin de su densidad. Enla figura 8 pue de apreciarse cmo la mayor resistencia a impacto la encontramo s en las espumas de aluminio de mayo r densidad (entr e 0,71 a 0,76 g/cm3).Estas espumas presentaban u na estru ctura y distribucin de poros homognea con tamao de poro mspeq ue o (0,4 mm), frente a las mue stras con densidadmeno r. La energa absorbida por estas mue stras estuvo en torno de los 100 J, con una deformacin macroscpica muy elevada (Fig. 9). Las mu estras sometidas a impacto con densidades intermedias, 0,60 a0,67 g/cm3, obtuvieron valores de absorcin de energa ms bajos, en torno a los 82 J, presentando una

deformacin macroscpica, tambin, muy acusada(Fig. 10). Los valor es m s bajos de ene rga absorbida

ENSAYO IMPACTO DE ESPUMAS DE ALUMINIO

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