Materiales con función gradiente (FGM)

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Materiales con función

gradiente (FGM)

Aproximación a tecnologías emergentes

Los materiales con función gradiente (FGM – Functionally Graded Materials) representan una clase de materiales compuestos que explotan el comportamiento de sus constituyentes sin introducir interfases bimateriales. El cambio gradual de sus propiedades permite diseñar a los FGM en aplicaciones específicas de altas solicitaciones sin introducir concentradores de tensiones habituales en los compuestos tradicionales. En muchas aplicaciones los FGM se utilizan como recubrimientos anti-desgaste de los materiales homogéneos tradicionales.

Unidad de Materiales y Tratamientos Superficiales AIMME 28/09/2011

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1. Introducción

Los materiales compuestos ligeros con elevadas relaciones resistencia/peso y rigidez/peso se han utilizado con éxito en la industria aeronáutica y otras aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, el material compuesto tradicional no se puede emplear en ambie

altas temperaturas ya que la resistencia del metal se reduce de forma similar a los materiales base. Los materiales cerámicos tienen excelentes características de resistencia al calor embargo, sus aplicaciones son por lo general

Recientemente, se han desarrollado una nueva clase de materiales compuestos conocidos como “materiales con función gradiente (FGMs)”. Un típico

acoplamiento flexión – estiramiento, es un comp de los materiales que lo constituyen

material se muestra en la incrustadas en una matriz isotr

Figura 1. Ejemplos de diferentes tipos de microestructuras de materiales funcionalmente graduados

Dentro de los FGMs las diferentes

conjunto FGM alcanza el estado multiestructural

fracción volumétrica de los materiales constitutivos, presentan un cambio suave y continu

de interfase y mitigando las conce que los componentes cerámic

temperatura debido a sus mejores características de resistencia térmica, mientras que los componentes metálicos proporcionan un mayor rendimiento mecánico y reduc posibilidad de fractura catastrófica.

Para visualizar las diferentes tecnologías y/o tipos de recubrimientos aplicados, la figura 3 nos muestra el orden cronológico de estas tecnologías.

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gradiente (FGM)

Los materiales compuestos ligeros con elevadas relaciones resistencia/peso y rigidez/peso se han utilizado con éxito en la industria aeronáutica y otras aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, el material compuesto tradicional no se puede emplear en ambie

la resistencia del metal se reduce de forma similar a los materiales . Los materiales cerámicos tienen excelentes características de resistencia al calor

aplicaciones son por lo general limitadas debido a su baja tenacidad.

Recientemente, se han desarrollado una nueva clase de materiales compuestos conocidos como “materiales con función gradiente (FGMs)”. Un típico FGM, con un

estiramiento, es un compuesto heterogéneo hecho de diferentes fases es que lo constituyen (por lo general cerámica y metal). Un ejemplo de este material se muestra en la figura 1, donde las partículas esféricas o casi esféricas están

en una matriz isotrópica.

Ejemplos de diferentes tipos de microestructuras de materiales funcionalmente graduados

diferentes fases microestructurales tienen distintas el estado multiestructural de su gradación. Por la variación

de los materiales constitutivos, las propiedades de los materiales presentan un cambio suave y continuo de una superficie a otra, eliminando así los problemas las concentraciones de esfuerzos térmicos. Esto se debe al hecho de erámicos de los FGMs son capaces de soportar entornos de alta temperatura debido a sus mejores características de resistencia térmica, mientras que los

proporcionan un mayor rendimiento mecánico y reduc posibilidad de fractura catastrófica.

las diferentes tecnologías y/o tipos de recubrimientos aplicados, la figura 3 nos muestra el orden cronológico de estas tecnologías.

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2 de 7 Los materiales compuestos ligeros con elevadas relaciones resistencia/peso y rigidez/peso se han utilizado con éxito en la industria aeronáutica y otras aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, el material compuesto tradicional no se puede emplear en ambientes sometidos a la resistencia del metal se reduce de forma similar a los materiales . Los materiales cerámicos tienen excelentes características de resistencia al calor, sin

limitadas debido a su baja tenacidad.

Recientemente, se han desarrollado una nueva clase de materiales compuestos conocidos M, con un alto efecto de de diferentes fases (por lo general cerámica y metal). Un ejemplo de este igura 1, donde las partículas esféricas o casi esféricas están

Ejemplos de diferentes tipos de microestructuras de materiales funcionalmente graduados [1]

stintas funciones y el . Por la variación gradual de la propiedades de los materiales de una superficie a otra, eliminando así los problemas . Esto se debe al hecho de FGMs son capaces de soportar entornos de alta temperatura debido a sus mejores características de resistencia térmica, mientras que los proporcionan un mayor rendimiento mecánico y reducen la

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Figura 2. Visualización de la transición de las diferentes tecnologías de recubrimientos donde

(d) muestra el perfil de composición naranja a violeta Ti(C, N) del FGM, que representa un aumento en el contenido de carbono hacia el

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(d)

Visualización de la transición de las diferentes tecnologías de recubrimientos donde

el perfil de composición naranja a violeta Ti(C, N) del FGM, que representa un aumento en el contenido de carbono hacia el interior, es un perfil de difusión con un “espesor de la capa” en el

rango de distancias atómicas. [4]

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Visualización de la transición de las diferentes tecnologías de recubrimientos donde la imagen el perfil de composición naranja a violeta Ti(C, N) del FGM, que representa un aumento en

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entonces, se están haciendo esfuerzo los FGMs. Estos materiales fueron

para estructuras aeroespaciales y reactores de fusión. Ahora general como en componentes estruct

Existen un gran número de métodos para obtener FGMs, entre otros, metalurgia de polvos, procesamiento coloidal, infiltración, deposición química o física en fase vapor, proyección térmica y deposición electroforética.

comunes en esta variedad de procesos y en particular dos clases de métodos para la producción de FGMs donde se puede distinguir

“procesos constructivos”, lleva

capa de forma programada. Este método es atractivo porque no hay límite en que se pueden producir. La segunda clase

gradientes dentro de un componente usan el flujo de fluidos, la difusión de

gradientes en microestructuras locales y/o composiciones. En general, son más rentables que los “procesos constructivos” (Figura

Para todos ellos, el principal desafío es la fabricación de estructuras gradientes donde la concentración de tensiones residuales de origen térmico a lo largo del gradiente sea mínima, lo que mejoraría la fiabilidad

para resolver esta cuestión, se fabrican gradientes apilando capas sucesivas donde en cada una de ellas varía la composición o la granulometría. Sin embargo, la transferencia de estos procesos a un sistema de producción a gran escala es muy compleja y, además, pueden desarrollarse tensiones en las intercaras de las capas. El desarrollo de estructuras con gradientes continuos eliminaría gran parte de estos problemas y, así, se han desarrollado gradientes continuos mediante sedimentación de una suspensión con varias fases o por deposición electroforética de una suspensión recirculada de varios componentes donde varía la relación de concentración entre ellos.

Figura 3. Diferentes métodos de fabricación de los materiales graduados funcionalmente (FGM)

esfuerzos para desarrollar materiales de alta resistencia

fueron diseñados inicialmente como material de barrera térmica para estructuras aeroespaciales y reactores de fusión. Ahora se están desarrolla

componentes estructurales sometidos a alta temperatura.

Existen un gran número de métodos para obtener FGMs, entre otros, metalurgia de polvos, procesamiento coloidal, infiltración, deposición química o física en fase vapor, proyección a y deposición electroforética. Sin embargo, se pueden encontrar algunas tendencias comunes en esta variedad de procesos y en particular dos clases de métodos para la

donde se puede distinguir una fase metálica. La primera clase llevan el nombre debido a que los FGMs se construye forma programada. Este método es atractivo porque no hay límite en

La segunda clase son “procesos basados en el transporte

e un componente por fenómenos de transporte natural. Estos procesos el flujo de fluidos, la difusión de especies atómicas o la conducción de calor para crear microestructuras locales y/o composiciones. En general, son más rentables que

” (Figura 3).

Para todos ellos, el principal desafío es la fabricación de estructuras gradientes donde la concentración de tensiones residuales de origen térmico a lo largo del gradiente sea mínima, lo que mejoraría la fiabilidad del componente bajo condiciones de operación. Habitualmente, para resolver esta cuestión, se fabrican gradientes apilando capas sucesivas donde en cada una de ellas varía la composición o la granulometría. Sin embargo, la transferencia de estos un sistema de producción a gran escala es muy compleja y, además, pueden desarrollarse tensiones en las intercaras de las capas. El desarrollo de estructuras con gradientes continuos eliminaría gran parte de estos problemas y, así, se han desarrollado ientes continuos mediante sedimentación de una suspensión con varias fases o por deposición electroforética de una suspensión recirculada de varios componentes donde varía la relación de concentración entre ellos.

Diferentes métodos de fabricación de los materiales graduados funcionalmente (FGM) http://observatorio.aimme.es

4 de 7 riales de alta resistencia utilizando inicialmente como material de barrera térmica están desarrollando para uso

Existen un gran número de métodos para obtener FGMs, entre otros, metalurgia de polvos, procesamiento coloidal, infiltración, deposición química o física en fase vapor, proyección Sin embargo, se pueden encontrar algunas tendencias comunes en esta variedad de procesos y en particular dos clases de métodos para la La primera clase son los se construyen capa por forma programada. Este método es atractivo porque no hay límite en los gradientes transporte” que crean fenómenos de transporte natural. Estos procesos o la conducción de calor para crear microestructuras locales y/o composiciones. En general, son más rentables que

Para todos ellos, el principal desafío es la fabricación de estructuras gradientes donde la concentración de tensiones residuales de origen térmico a lo largo del gradiente sea mínima, del componente bajo condiciones de operación. Habitualmente, para resolver esta cuestión, se fabrican gradientes apilando capas sucesivas donde en cada una de ellas varía la composición o la granulometría. Sin embargo, la transferencia de estos un sistema de producción a gran escala es muy compleja y, además, pueden desarrollarse tensiones en las intercaras de las capas. El desarrollo de estructuras con gradientes continuos eliminaría gran parte de estos problemas y, así, se han desarrollado ientes continuos mediante sedimentación de una suspensión con varias fases o por deposición electroforética de una suspensión recirculada de varios componentes donde varía

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2. Aplicaciones

Hay varios tipos de FGMs que presentan excelentes propiedades multifuncionales y aplicaciones multisectoriales, como se muestra a continuación:

Tipo

FGMs cerámico/metal a granel (figura 7)

Relajación de la tensión térmica, alta resistencia al calor y resistencia al desgaste, alta resistencia

Titanio (aleaciones) con densidad graduada o porosidad (figura 5) Combina propiedades mecánicas y Aceros de herramienta con gradiente de C, V, Cr; aceros o superaleaciones de Ni con gradiente de partículas cerámicas (óxidos, carburos) Combina tenacidad y dureza o Resistencia al desgaste

Metal duro con función gradiente: sustrato de

titanio con capa cerámica, núcleo duro de

metal duro y capa intermedia con composición gradiente

Resistencia al desgaste, resistencia a la rotura, resistencia a las grietas

Combinación ferrítico-austenítico como 17-4PH

y 316L; combinación de acero-cerámico

Magn

Metales preciosos como Pt, Ag (catálisis) y óxidos metálicos como SnO2

(sensores) con porosidad gradiente desde granel a

escala nanométrica (figura 6)

Alta superficie específica y fuerte interacción gas

metal, porosidad gradiente

contacto optimizado en sustratos

y una gran funcionalidad (lado

Hay varios tipos de FGMs que presentan excelentes propiedades multifuncionales y aplicaciones multisectoriales, como se muestra a continuación:

Propiedades Método de fabricación

Relajación de la tensión térmica, alta resistencia al calor y resistencia al desgaste, alta resistencia

mecánica

Proceso de sinterización asistida por corriente de plasma pulsada (SPS, Spark Plasma Sintering)

Componentes de alta eficiencia del motor

Combinación de buenas propiedades mecánicas y

bajo peso

Procesos de fabricación aditiva mediante capas: sinterizado láser directo

de polvo metálico (DMLS)

Estructuras de bajo peso para la industria aeroespacial, implantes Combinación de tenacidad y dureza o Resistencia al desgaste Procesos de fabricación aditiva mediante capas: impresión 3D con control

de la composición local de material (generación de una pieza en verde de

material en polvo y sinterización o infiltración) Herramientas instrumental médico implantes Resistencia al desgaste, resistencia a la rotura, resistencia a las grietas

térmicas

sinterización

Insertos de corte, plaquitas de metal duro

Magnético y amagnético; dúctil y tenaz Co-inyección y co-sinterización (construcción de una interfase gradiente) Industria automotriz, sensores, instrumental

Alta superficie específica y fuerte interacción

gas-metal, porosidad gradiente combina el contacto optimizado en sustratos (lado a granel) y una gran funcionalidad lado nanoestructurados)

PVD basado en técnicas de pulverización catódica

y evaporación y condensación de gas inerte, con diseño in-situ

de las estructuras depuestas por el control

de los parámetros del proceso Sensores de gases y catalizador activa de unión conexiones electrónicas http://observatorio.aimme.es 5 de 7 Hay varios tipos de FGMs que presentan excelentes propiedades multifuncionales y

Aplicaciones

omponentes de alta eficiencia del motor

Estructuras de bajo peso para la industria aeronáutica y aeroespacial, implantes Herramientas, instrumental médico, implantes, industria aeronáutica y aeroespacial Insertos de corte, plaquitas de metal duro

(figura 4) Industria automotriz, sensores, instrumental médico Sensores de gases y catalizadores de capa activa, baja temperatura

de unión para conexiones electrónicas

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Figura 4. Campos de investigación

FGMs puede contribuir al

Figura 5. Implantes con FGMs diseñados a medida y con propiedades

Figura 6. El FGM es un electrodo de lámpara

compuesto metal/cuarzo (SiO

Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.es ampos de investigación en el desarrollo de plaquitas de metal duro. El concepto de l

puede contribuir al diseño del sustrato, borde de corte y recubrimiento

Implantes con FGMs diseñados a medida y con propiedades en sitios específicos

electrodo de lámpara HID (descarga de alta intensidad) hecho de un material cuarzo (SiO2). El metal y cuarzo se fabrican a lo largo de un gradiente, sin límites.

[6]

6 de 7

el desarrollo de plaquitas de metal duro. El concepto de los cubrimiento/capa [4]

en sitios específicos [5]

hecho de un material de un gradiente, sin límites.

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Figura 7. Engranajes FGMs (materiales compuestos de matriz de aluminio)

3. Ventajas frente a las alternativas tradicionales

En la unión directa metal/cerámic

metálica con refuerzos cerámicos (o viceversa) obtenidos por técnicas convencionales de fundición, pulvimetalurgia, etc., se

altas temperaturas. Los esfuerzos adherencia en la hetero-interfa ventaja de la unión metal/cerámic

mediante la capa intermedia de composición gradual. Un material de forma simultánea una elevada

propagación de grietas.

4. Referencias

[1] Hui-Shen Shen. Functionally

Press Taylor & Francis Group, 2009, 266 págs.

[2] Y. Miyamoto, W.A. Kaisser, B.H. Rabin, A. Kawasaki, R.G. Ford. Functionally Graded Materials: Design, Processing and Applications. Kluwer Acade

[3] Jonsson, Daniel. Microstructure and Mechanical Properties of an Alumina/Zirconia functionally Graded Material Prepared by Electrophoretic Deposition.

Bologna period), Universidad Politécnica de Catalu [4] Walter Lengauera, Klaus Dreyerb.

Compounds 338 (2002) 194–212.

[5] http://www.mtse.unt.edu/AMM/AppBased.html

[6] http://www.toto.co.jp/E_Cera/lampparts/fgm_electrode.htm

[7] http://w3rrlt.csir.res.in/lmac/ver1.0_mm_lmac_te

Instituto Tecnológico Metalmecánico http://observatorio.aimme.es Engranajes FGMs (materiales compuestos de matriz de aluminio) fabricados por fundición

centrífuga [7]

Ventajas frente a las alternativas tradicionales

unión directa metal/cerámico o en la fabricación de materiales compuestos de matriz metálica con refuerzos cerámicos (o viceversa) obtenidos por técnicas convencionales de fundición, pulvimetalurgia, etc., se generan tensiones térmicas en las aplicaciones prácticas

. Los esfuerzos térmicos provocan la formación de grietas, pérdida de interfase y con frecuencia el rompimiento de la capa

metal/cerámico mediante FGM es la eliminación de los esfuerzos

capa intermedia de composición gradual. Un material con función gradiente posee una elevada resistencia al calor y la tenacidad suficiente para detener la

Shen Shen. Functionally Graded Materials. Nonlinear Analysis of Plates and Shells. CRC Press Taylor & Francis Group, 2009, 266 págs.

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Walter Lengauera, Klaus Dreyerb. Functionally graded hardmetals. Journal of Alloys and 212. http://www.mtse.unt.edu/AMM/AppBased.html http://www.toto.co.jp/E_Cera/lampparts/fgm_electrode.htm http://w3rrlt.csir.res.in/lmac/ver1.0_mm_lmac_technologies.htm http://observatorio.aimme.es 7 de 7

fabricados por fundición

o en la fabricación de materiales compuestos de matriz metálica con refuerzos cerámicos (o viceversa) obtenidos por técnicas convencionales de tensiones térmicas en las aplicaciones prácticas a la formación de grietas, pérdida de capa cerámica. La mediante FGM es la eliminación de los esfuerzos térmicos con función gradiente posee suficiente para detener la

ysis of Plates and Shells. CRC

Y. Miyamoto, W.A. Kaisser, B.H. Rabin, A. Kawasaki, R.G. Ford. Functionally Graded mic Publishers, 1999, 330 págs. Jonsson, Daniel. Microstructure and Mechanical Properties of an Alumina/Zirconia

Master thesis