Tehnologii de obtinere a compozitelor cu matrice metalica

Tehnologii de obtinere a compozitelor cu matrice metalica

Cele mai utilizate materiale compozite metalice in domeniul medicinei sunt: compozitele dentare pentru plombe si suprafetele poroase pentru implanturi ortopedice. Prima categorie de materiale face parte din domeniul compozitelor cu matrice metalica si insertie de pulberi, iar a doua categorie apartine domeniului de compozite cu insertie de fibre metalice.

Principala cerinta impusa biomaterialelor compozite este aceea ca fiecare constituent al compozitului sa fie biocompatibil, interfata dintre constituenti sa nu fie degradata de mediul corpului uman.

Tehnologiile de obtinere a compozitelor sunt foarte variate, de la cele traditionale la cele standard, iar mai recent au aparut o serie de tehnologii avansate ca depunerea chimica din vapori si altele.

1 Tehnologii de obtinere a compozitelor cu particule

5.6.1.1 Tehnologia compoCAsting

Tehnologia compoCAsting se bazeaza pe comportarea tixotropica a unui aliaj metalic aflat intr-o stare intermediara intre cea solida si cea topita. Un lichid metalic este racit pana cand se solidifica aproximativ 50% din volumul sau; in timpul acestei solidificari el este puternic agitat pentru a rupe dendritele care se formeaza in topitura. Rezulta astfel o pasta cu proprietati tixotrope,

adica pasta se comporta ca un solid (nu curge) cand asupra sa nu actioneaza nici o forta, dar curge atunci cand pasta este presata si obligata sa umple un anumit volum, asa cum se constata din figura. 5.22 si consta din urmatoarele faze:

a)      aliajul in curs de solidificare adus in stare tixotropica, este amestecat continuu pentru a-i rupe reteaua de dendrite;

b)      in aceasta faza se introduc particulele, care constituie faza dispersa a compozitului;

c)      starea tixotropica a compozitului, cand el nu curge aflandu-se in stare pastoasa;

d)     aplicand o forta de presare asupra amestecului solid-lichid, acesta este obligat sa curga si sa umple matrita.

Conform schemei prezentate, un compozit cu matrice metalica avand faza dispersa formata din particule (metalice sau nemetalice), se obtine in urmatoarea succesiune de operatii tehnologice:

aliajul lichid elaborat se raceste intr-un creuzet pana in apropierea temperaturii lichidus;

aliajul racit este agitat mecanic pentru a se omogeniza din punct de vedere termic si fazic;

se introduc particule solide in pasta agitata mecanic, acestea se vor distribui uniform in masa metalica, cand fortele de tensiune superficiala particule-aliaj pastos sunt diminuate;

pasta care contine particule disperse se introduce intr-o matrita unde este presata cu un piston.

Prin aceasta tehnologie se pot obtine compozite cu particule fine formate din oxizi (Al₂O₃) sau carburi (SiC, TiC, etc.) intr-o matrice metalica formata din aluminiu, magneziu, etc..

Imersarea particulelor in matricea metalica pastoasa este o operatie dificila datorita fortelor de tensiune superficiala care au tendinta de a nu umecta particulele de catre masa metalica lichida. Pentru a se realiza totusi umectarea si incorporarea particulelor in masa topita, se pot aplica diverse tehnologii ca:

amestecarea mecanica a topiturii cu un agitator (procedeul Vortex);

injectarea particulelor cu ajutorul unui gaz purtator inert (argon, heliu);

injectarea particulelor in jetul metalic in momentul turnarii in forma;

dispersarea particulelor in matricea metalica cu ajutorul ultrasunetelor;

agitarea electromagnetica a topiturii si adaugarea concomitenta a particulelor solide;

dispersarea prin miscare centrifugala a particulelor in matricea lichida;

producerea particulelor chiar in masa matricei metalice prin cunoasterea si actionarea asupra sistemelor de echilibru chimic.

5.6.1.2 Tehnologia de sinterizare

Tehnologia de sinterizare a particulelor solide constituie o alta metoda importanta de producere a compozitelor metalice cu particule solide.

Procedeul a fost pe larg prezentat la capitolul de obtinere a materialelor si straturilor metalice poroase care cuprinde in esenta operatiile:

producerea pulberii care constituie faza dispersa a compozitului;

omogenizarea particulelor de compozitii diferite;

presarea amestecului de pulberi in matrita;

sinterizarea amestecului de pulberi cu ajutorul temperaturii ridicate si a mediului inert.

1.3 Tehnologia reacTiei In situ de obtinere a materialelor compozite cu particule consta in introducerea unui gaz (de exemplu gaz metan) intr-o topitura metalica, ca titanul si aliajele sale, aflata intr-un creuzet vidat. Prin acest procedeu se pot obtine particule de TiC cu diametrul cuprins intre 0,1-3,0 microni care sunt uniform distribuite in structura metalica solida.

In tabelul 5.26 sunt prezentate cateva sisteme de materiale compozite metalice cu particule si unele proprietati ale acestora.

Tabelul 5.26 Materiale compozite cu matrice metalica ranforsate cu particule

5.6.2 Tehnologii de obtinere a compozitelor metalice cu fibre

Aceste tipuri de materiale compozite sunt alcatuite dintr-o faza dispersa, sub forma de fibre, fixata intr-o matrice metalica moale si ductila.

Dupa valoarea raportului lungime/diametru fibrele se impart in:

fibre continui cu valoarea raportului l/d > 1000;

fibre discontinui care se impart in:

fibre lungi care au l/d = 300 -1000;

fibre scurte avand l/d = 10 si avand l = 300mm si f mm;

fibre discontinui foarte scurte, monocristale filiforme pure numite Whiskers.

Orientarea fibrelor in materialele compozite poate fi in mai multe moduri, aceasta influenteaza proprietatile compozitului (fig.5.23.).

Fibrele metalice se pot obtine din numeroase metale si aliaje ca: oteluri inoxidabile, aliaje de aluminiu, aliaje de nichel, de cobalt, titan, metale pretioase, etc. Aceste fibre metalice sunt disponibile sub forma de fibre taiate, fibre continue si tesaturi.

Fibrele metalice se obtin prin cateva tehnologii specifice ca:

tehnologia de laminare;

tehnologia de tragere din bare metalice pe principiul treflarii sarmei;

tehnologia de filare din topituri;

tehnologia de solidificare directa a unui jet de lichid;

tehnologia fabricarii IN SITU cand fibrele se nasc chiar in masa matricei si se obtin prin solidificarea dirijata a eutecticelor, similar cu fabricatia compozitelor cu particule disperse.

Matricea metalica se poate obtine din diverse metale si aliaje ca: aluminiul si aliajele sale, titanul si aliajele sale, fierul si aliajele sale, argintul, aurul, etc.

Aliajele aluminiului cu titanul sunt des utilizate pentru realizarea de compozite cu matrice metalica. Proprietatile superioare ale acestor aliaje (rezistenta mecanica si la oxidare ridicata) se datoreaza precipitarii fazei TiAl₃ cu sistem tetragonal de cristalizare.

In realizarea tehnologiilor de fabricatie a compozitelor, prima problema o constituie alegerea componentelor care trebuie facuta in functie de conditiile de utilizare. Este important de retinut faptul ca intr-un compozit, solicitarile mecanice sunt suportate de fibre, rolul matricei fiind de a proteja fibrele contra oxidarii, a coroziunii, a lovirii, si a frecarii. Este evident ca procedeele de fabricatie trebuie sa asigure exercitarea acestui rol al matricei inca din momentul formarii compozitului. Un procedeu in cursul caruia matricea este pusa in situatia de a coroda ea insasi fibrele este un procedeu incorect.

A doua problema consta in incorporarea corecta a fibrelor in matrice si ea trebuie sa raspunda la trei exigente fundamentale: distributia uniforma a fibrelor, alinierea acestora intr-o directie comuna si in crearea unei legaturi intime intre fibre si matrice; aceasta fiind o problema dificila mai ales in cazul utilizarii fibrelor de carbon sau ceramice intr-o matrice metalica.

Dificultatea consta in asigurarea umectarii fibrelor de catre matrice, fara a se forma la interfata straturi care sa altereze fibrele, modificandu-le proprietatile. In aceasta directie exista tehnologii de acoperire a fibrelor nemetalice intr-un invelis metalic pe baza de titan, molibden, etc., sau prin utilizarea unei matrice cu tensiune superficiala mica in raport cu fibrele, ca de exemplu aliajele Ni-Ti, cu continut ridicat de titan.

Tehnologiile de realizare a compozitelor cu fibre se impart in doua mari grupe:

tehnologii de incorporare indirecta a fibrelor;

tehnologii de incorporare directa.

Tehnologiile de incorporare indirecta a fibrelor constau in principiu in prepararea separata, alinierea si distribuirea uniforma a acestora, dupa care ele sunt incorporate in matrice prin una din urmatoarele metode:

Infiltrarea care consta in alinierea fibrelor intr-o forma corespunzatoare piesei si printre fibre se infiltreaza, sub vid sau sub presiunea unui gaz inert, materialul matricei in stare lichida. Metoda este comoda dar rezultatele nu sunt intotdeauna corespunzatoare: matricea metalica lichida ataca fibrele deoarece difuzia se produce la interfata lichid-fibra chiar la un timp de contact foarte scurt;

Metalurgia pulberilor realizeaza dispersarea fibrelor in pulberea metalica ce va constitui matricea, care se consolideaza prin sinterizare in stare solida sau lichida. In practica este dificil sa se distribuie uniform fibrele in matricea pulverulenta si sa se evite contaminarea atmosferica a particulelor de pulbere. Sinterizarea in faza lichida prin incalzire peste temperatura de topire a pulberii, are aceleasi dezavantaje ca si infiltrarea si anume distrugerea integritatii fibrelor prin dizolvarea acestora sau prin formarea unor zone fragile la interfata.

Depunerea electrolitica a matricei in jurul fibrelor este o metoda avansata intrucat se efectueaza la temperaturi joase si se evita astfel atacul fibrelor de catre matricea metalica. Metoda poate fi insa aplicata numai la incorporarea unei fractii in volume mici de fibre, caci la proportii mari, matricea nu se mai obtine compacta. O compactizare ulterioara se poate realiza prin presare la cald, asa cum este cazul tehnologiei de obtinere a compozitului cu fibre de carbon in matrice de nichel (fig. 5.24)

Depunerea chimica prin cementare in bai de saruri sau in mediu gazos, cand se poate depune o matrice metalica (de ex. titan) pe monocristale filiforme de oxid de aluminiu, sau a unei matrice de molibden pe fibre de carbura de siliciu.

Depunerea matricei in jet de plasma este o metoda moderna de realizare a matricelor cu fibre in care legatura fibre - matrice este puternica si deteriorarea fibrelor de catre matricea lichida este minima.

Tehnologia de incorporare a fibrelor prin deformarea plastica a matricei consta in presarea la cald a unui sandwich construit din straturi alternative de fibre, respectiv de matrice in folie; se aplica in tehnica pentru obtinerea compozitelor cu fibre de bor in matrice de aluminiu. Utilizarea extruziunii ca procedeu de deformare plastica are avantajul ca la trecerea simultana a matricei si a fibrelor printr-o filiera produce o curgere paralela a matricei, care creeaza la interfata cu fibrele o suprafata curata, ce asigura o legatura perfecta cu fibrele.

2.2 Tehnologii directe de incorporare a fibrelor

In cadrul acestor tehnologii, formarea fibrelor si a matricelor sunt procese simultane, aspect ce evita fenomenele dificile de manipulare, aliniere a fibrelor si problemele de interfata fibre-matrice. Formarea simultana a fibrelor in matrice se poate realiza prin urmatoarele procedee:

Solidificarea unidirectionala a aliajelor eutectice, cu o structura plurifazica, ofera posibilitatea reala de a orienta fazele in momentul solidificarii prin racire dirijata. Solidificarea unidirectionala produce un gradient termic care creeaza un front de cristalizare plan si perpendicular pe directia de solidificare. Faza minoritara a eutecticului creste sub forma de fibre in directia gradientului termic, lichidul dintre fibre depune cealalta faza - matricea - care incorporeaza automat fibrele. Se obtine astfel un compozit ideal, cu fibre nealterate, la interfata fibre - matrice (fig. 5.25). Efectul durificator al fibrelor formate prin solidificare dirijata este considerabil, asa cum se constata si din diagrama prezentata in fig. 5.26. in care sunt prezentate curbele de rezistenta la tractiune pentru eutecticul Al-Al₃Ni dupa turnarea obisnuita, in comparatie cu durificarea unidirectionala, cand compusul intermetalic Al_3­Ni creste sub forma de fibre.

Curbele rezistentei la tractiune pentru eutecticul Al-Al3Ni dupa turnarea obisnuita si dupa solidificarea unidirectionala

Cu toate caracteristicile superioare ale compozitelor obtinute prin aceasta tehnologie, ea prezinta posibilitati limitate de realizare datorita complexitatii fenomenelor ce au loc la solidificarea aliajului lichid.

O imbunatatire a tehnologiei consta in utilizarea eutecticelor pseudobinare, din aliajele ternare si complexe prin a caror solidificare unidirectionala se pot obtine compozite superioare, cu un control mai riguros al parametrilor de realizare; este cazul compozitului cu fibre de crom in matricea NiAl (fig. 5.27)

Tehnologia de formare "IN SITU" a compozitului prin deformare plastica se realizeaza prin deformarea plastica unidirectionala a unui aliaj cu structura bifazica, care contine o faza cu modul de elasticitate ridicat si o a doua faza ductila si rezistenta la oxidare. Fenomenul de alungire a grauntilor duri in directia deformarii plastice conduce la formarea unui veritabil compozit cu fibre discontinui, daca gradul de deformare plastica este suficient. In fig. 5.28 sunt ilustrate etapele transformarii particulelor de wolfram in fibre prin deformare plastica la rece a compozitului obtinut prin infiltrarea aliajului lichid Ni-Cr in pulbere de wolfram.