New Method of Detection of Hydrogen - Matéria

Transcripción

Revista Matéria, v. 9, n. 2, pp. 80 – 85, 2004
http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10321
ISSN 1517-7076
Fabricación y Caracterización de Espumas Metálicas a Partir de Mezclas
Al-TiH2
Catalina E. Jiméneza y María T. Malachevskyb
a
Instituto Prof. Jorge Sabato y Centro Atómico Constituyentes, UNSAM y CNEA, Av. General Paz 1499,
San Martín, Pcia. Bs. As., Argentina.
e-mail: [email protected]
b
Instituto Balseiro y Centro Atómico Bariloche, UNCuyo y CNEA, 8400 S.C. Bariloche, Argentina.
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Se obtuvieron espumas de aluminio mediante la técnica conocida como fusión de polvos
compactados, que permite obtener sólidos celulares con porosidad cerrada. Los polvos precursores utilizados
fueron aluminio e hidruro de titanio como agente espumante, ambos con un tamaño de partícula menor a 40
μm, mezclados en cantidades adecuadas para lograr la composición Al – 3 wt% TiH2. Para preparar el
compacto de partida, se laminó en caliente envainando en aluminio. Una vez logrado un material denso de
aspecto metálico, se cortaron muestras y se efectuaron tratamientos térmicos a 750 °C, a tiempos variables
comprendidos entre 5 y 20 minutos. Así se logra la fusión del aluminio y la descomposición del TiH2,
produciéndose el espumado del metal en fase líquida. La solidificación de las espumas se realizó por
templado en aire. Se determinó la expansión relativa en función del tiempo de horno, observándose que
existe un umbral para el inicio del proceso de expansión y también un tiempo característico donde la
expansión es máxima. Pasado este tiempo, los poros colapsan. Las densidades se determinaron por inmersión
en mercurio. Se analizó al SEM la mezcla de polvos y en el microscopio óptico la distribución de la
porosidad.
Palabras claves: Espumas metálicas, sólidos celulares, aluminio poroso.
Fabrication and Characterization of Al-TiH2 Metal Foam
ABSTRACT
Aluminium foams were prepared by the powder compact melting technique, which allows the
obtainment of cellular solids with closed cells. The starting powders consisted of aluminium and titanium
hydride as foaming agent, both with particle size of less than 40 μm. These were processed in an attritor mill
to obtain a mixture of composition Al – 3 wt% TiH2. The powders were compacted by hot rolling, using an
aluminium sheath. After obtaining a dense metallic material, samples were cut and foamed by heat treating at
750 ºC for different times, ranging from 5 to 20 minutes. The foams were solidified by air quenching.
Relative expansion as a function of time was determined. There is a threshold before the foaming starts. It
achieves a maximum for a characteristic time, after which pores collapse. The final densities were obtained
by mercury immersion. The starting mixture was characterized at the SEM and the final pore distribution at
the optical microscope.
Keywords: Metal foam, cellular solids, porous aluminium.
1
INTRODUCCIÓN
Los materiales celulares son una nueva y atractiva clase de materiales, que ofrecen una gran
variedad de aplicaciones estructurales y funcionales. Las espumas metálicas son un caso especial de los
mismos. Las inclusiones gaseosas dispersas en la matriz metálica no están interconectadas debido a que la
espuma se forma inicialmente en fase líquida del metal. Esta morfología minimiza el área superficial, luego
la espuma resultante es la imagen de la espuma líquida solidificada. En particular, las espumas de aluminio
poseen interesantes combinaciones de propiedades mecánicas y físicas, como ser alta tenacidad y baja
densidad, naturalmente atractivas para las industrias automotriz, aeroespacial y naval. También son
utilizables en carpintería metálica y construcciones civiles en general, ya que estos materiales poseen buena
Autora Responsável: María T. Malachevsky
CELENTANO, D., SCHULZ, B., CRUCHAGA, M., Revista Matéria, v. 9, n. 2, pp. 80 – 85, 2004.
capacidad para absorber ruidos, alta rigidez específica y muy buena estabilidad térmica, sumadas a la baja
densidad ya mencionada. [1].
La producción de espumas de aluminio por pulvimetalurgia, es especialmente atractiva por su
facilidad para producir piezas con formas netas, a costos razonablemente bajos. En este trabajo se utiliza para
la fabricación, la fusión de polvos compactados. Esta técnica fue desarrollada y patentada por el Instituto
Fraunhofer de Bremen Alemania en 1990. [2] Se parte de una mezcla de polvos de metal y de un agente
espumante, en este caso aluminio puro e hidruro de titanio. La descomposición del TiH2 se produce a 400 ºC
y a 1 atm según la reacción:
TiH2 → Ti + H2
(1)
La mezcla de polvos se debe compactar por hot pressing, laminación de polvos o extrusión. Se debe
obtener una pieza libre de porosidad abierta, con una buena unión metálica entre partículas de polvo. La
presión resulta entonces suficientemente alta como para evitar la descomposición del TiH2 antes de poder
alcanzar la temperatura de fusión del aluminio. La espuma se obtiene por la liberación del hidrógeno en el
metal fundido en tiempos de horno del orden de algunos minutos. La densidad resultante puede ser
controlada ajustando parámetros tales como concentración de agente espumante, temperatura y tiempo de
horno, velocidad de calentamiento.
En este trabajo se formó el compacto por laminado en caliente de la mezcla de polvos, previamente
compactada y envainada en aluminio, a una temperatura cercana a 0.5 Tfusión. La posibilidad de obtener un
material homogéneo, subyace inicialmente en lograr una buena mezcla de polvos. Para tal fin, se utilizó un
molino de atrición que se caracteriza por brindar mejores prestaciones que los molinos de bolas
tradicionales. Resultan mezclas más homogéneas en menor tiempo, con partículas de menor tamaño [3].
2
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se partió de polvo de aluminio Aluar impalpable 99.99% de pureza y polvo fino de hidruro de
titanio comercial de laboratorios Merck (tamaño de partículas menor a 40 μm). Se pesó en la proporción Al –
3 wt% TiH2 y se mezcló en un molino de atrición con bolas de circonia estabilizadas con itria durante 40
minutos a una velocidad de 200 r.p.m. Se tomaron muestras de los polvos de partida y de la mezcla para su
análisis en el microscopio electrónico de barrido (SEM).
A partir de la mezcla de polvos, se obtuvieron pastillas de 1 pulgada de diámetro por prensado
uniaxial a 100 MPa, a temperatura ambiente. Las pastillas se introdujeron en un tubo de aluminio comercial,
cuyo único fin es el de sostener las pastillas durante la etapa posterior de laminación. Se sellaron los
extremos del tubo con soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) y se procedió al laminado en caliente, con
recocidos intermedios a 350 ºC.
Las muestras precursoras se obtuvieron del producto laminado, cortando con un disco de diamante
rectángulos de entre 7.5 y 13.5 mm de largo por el ancho del tubo ya laminado. Las muestras fueron
introducidas en un horno de tubo horizontal Lindberg, estabilizado a 750 °C, durante tiempos variables
comprendidos entre 5 y 20 minutos. Luego se templaron al aire.
Las espumas así obtenidas se cortaron a la mitad, se incluyeron en vacío, y se desbastaron con
papeles de carburo de silicio de granulometrías 240, 320, 400, 600 y 1000. El pulido final se realizó
utilizando un paño con pelo y pasta de alúmina de tamaño de partícula 1 μm.
Con las muestras incluidas se realizó un análisis de imágenes. Se tomaron fotos con cámara digital y
lupa.
Se midieron las densidades hidrostáticas por inmersión en mercurio, a temperatura ambiente. Para
ello, se pesaron las muestras en aire y luego sumergidas en mercurio. El cálculo se realizó según la expresión:
ρE = ρHg maire / mHg
(2)
donde ρE es la densidad de la espuma de aluminio, ρHg es la densidad del mercurio (13.54 g/cm3), maire es el
peso de la muestra en aire y mHg es el peso de la muestra sumergida en mercurio.
81
3
3.1
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis de Polvos por Microscopía de Barrido
Se tomaron muestras de los polvos de partida y de la mezcla para su análisis en el SEM. El TiH2 y el
aluminio presentan un mismo tamaño de partícula, con valores inferiores a los 40 μm. La figura 1 muestra
una micrografía de la mezcla Al – 3 wt% TiH2 tomada con electrones retrodifundidos. Las zonas más
brillantes corresponden al hidruro de titanio y, como se puede observar en la figura, éste se encuentra
distribuido homogéneamente en la mezcla. Se ven también algunos agregados de varias partículas.
Se pudo apreciar que el tamaño de partícula original del TiH2 ha sido reducido en mayor proporción
que el aluminio, favoreciendo el mezclado.
Figura 1: Micrografía tomada con electrones retrodifundidos de la mezcla Al-3 wt% TiH2.
3.2
Preparación de Muestras
En la figura 2 se muestra el compacto laminado ya cortado para ser introducido al horno y obtener la
espuma. Se puede saber si efectivamente se ha logrado la unión metálica entre partículas de aluminio,
observando que el precursor no presenta zonas pulvirulentas. Ambos componentes de la muestra, vaina y
precursor, pueden identificarse por el contraste ya que han sido desbastados con este fin.
Figura 2: Sección transversal de una muestra precursora.
En la figura 3 se observan algunas de las espumas obtenidas luego del tratamiento térmico a 750 °
C. Los tiempos de residencia en el horno para estas cuatro espumas, de izquierda a derecha, fueron de 7.5,
10, 15 y 20 minutos.
82
Figura 3: Espumas obtenidas, ordenadas de izquierda a derecha en tiempos crecientes de horno: (a) vista
superior, (b) vista lateral.
3.3
Determinación de la Expansión Relative
En la Tabla I se pueden apreciar los cambios en los espesores de las muestras durante el espumado y
la expansión relativa correspondiente. Los espesores fueron tomados en la zona central de las muestras.
Tabla I: Duración de los tratamientos térmicos y cambios experimentados en el espesor de las muestras.
Tiempo
Espesor
inicial
Espesor
final
Expansión
relativa
[min]
[mm]
[mm]
[%]
5
3.55
3.63
2.25
7.5
3.55
6.15
73.24
8.5
3.55
7.75
118.31
10
3.66
10.86
196.72
15
3.57
9.36
162.18
20
3.66
7.83
113.93
La figura 4 muestra la expansión relativa en función del tiempo de horno. Existe un umbral de
tiempo para que comience el proceso de espumado. Se observó la existencia de un pico de expansión
alrededor de los 10 minutos de tratamiento, luego del cual los poros colapsan, haciendo disminuir la
expansión relativa. Debido al método de preparación, la densidad del compacto no es la óptima y por lo tanto
el TiH2 está débilmente atrapado entre las uniones metálicas. Podemos suponer entonces que la
descomposición del hidruro no se realiza en forma gradual y homogénea. Una liberación súbita y excesiva de
hidrogeno provoca un inflado rápido del metal, formando así una espuma con paredes finas y poros grandes
para tiempos de tratamiento cortos. Esta configuración de celdas no es estable y por ello la esponja coalece
para tratamientos de mayor duración. Tanto el comportamiento de nuestras muestras como los tiempos
involucrados concuerdan con lo observado por Duarte et al [4] en muestras de AlSi7-0.6 wt% TiH2
preparadas por hot pressing.
83
Al - 3 wt%TiH2
Expansion relativa [%]
200
150
100
50
0
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Tiempo [min]
Figura 4: Gráfica de expansión relativa en función del tiempo de horno.
3.4
Análisis de Morfología por Imagines
La estructura morfológica de las espumas puede verse en la figura 5. La fotografía central, tomada
con cámara digital, muestra el aspecto del conjunto. Las fotos de detalle asociadas fueron tomadas con lupa
luego de haber incluido las muestras en vacío y haberlas pulido para poder lograr un mejor análisis óptico.
Figura 5: Fotografía de conjunto y detalles de espumas tomados con lupa para tiempos de horno, de
izquierda a derecha, de 7.5, 8.5, 10, 15 y 20 minutos.
Todas las muestras presentan gradientes en la distribución de tamaños de poros. Los tamaños más
pequeños se encuentran en todas las etapas predominantemente hacia los bordes, excepto en la muestra de 7.5
minutos donde el proceso de formación de la espuma recién ha comenzado. A pesar de no haber alcanzado la
máxima expansión, la muestra de 8.5 minutos de horno presenta la distribución más homogénea. En la
muestra con 20 minutos de tratamiento se puede apreciar el colapso de los poros en su zona inferior.
3.5
Densidades Hidrostáticas
Finalmente, se calculó la densidad hidrostática por inmersión en mercurio. En la tabla II se detallan
los pesos de las distintas muestras y las densidades calculadas según la ecuación (2).
84
Tabla II: Mediciones de masas y valores de densidades hidrostáticas calculadas.
Tiempo
maire
mHg
ρE
[min]
[g]
[g]
[g/cm3]
7.5
0.76
5.05
2.04
10
0.69
5.62
1.66
15
0.72
6.38
1.53
20
0.60
4.58
1.77
La aparente anomalía en el valor de densidad correspondiente a la muestra con 10 minutos de
tratamiento térmico se debe al gran tamaño de los poros formados, que facilitan la penetración del mercurio
en los mismos dando un valor erróneo del volumen. Teniendo en cuenta esto, se observa como tendencia que
la densidad disminuye conforme aumenta la expansión.
4
CONCLUSIONES
Se comprobó que el molino de atrición es un dispositivo eficiente para lograr una mezcla
homogénea y con el hidruro finamente disperso en el aluminio, condiciones fundamentales para obtener
espumas de aluminio por éste método.
Se comprobó que la técnica utilizada para la obtención de espumas de aluminio presenta la mayor
dificultad en el laminado en caliente. El compacto obtenido no está totalmente libre de porosidad y por lo
tanto el agente espumante está débilmente atrapado entre las uniones metálicas. Esto se deduce de la
presencia de un pico de expansión, seguido de una rápida coalescencia de la espuma metálica.
La curva de expansión relativa en función del tiempo de horno y las imágenes indican que existe un
tiempo muy corto, de aproximadamente 5 minutos, para el comienzo del proceso de formación de poros. Hay
una segunda etapa de crecimiento y formación de nuevos poros y una última etapa en la cual la porosidad
colapsa por acción de la gravedad. La densidad hidrostática por lo tanto disminuye conforme aumenta la
expansión.
Para el futuro se espera implementar la producción de compactos por hot pressing con el fin de
evitar la liberación rápida de hidrógeno y mejorar la homogeneidad en la distribución y morfologías de los
poros.
5
REFERENCIAS
[1] BANHART, J., Progress in Materials Science, v. 46, pp. 559-632, 2001.
[2] BAUMEISTER, J., US Patent 5151246, 1992.
[3] SZEGVARI, A., YANG, M., “Seminar on Dispersion of Pigments and Resins in Fluid Media”, in: Kent
State University, 1992.
[4]. DUARTE, I., BANHART, J., Acta mater, v. 48, pp. 2349-2362, 2000.
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