Conformat superplàstica: Aproximació a tecnologies emergents

Molts processos industrials de conformat, com la laminació o la extrusió produeixen grans deformacions plàstiques i, de vegades, poden formar grans submicromètrica (100 nm a 1 micres). No obstant això, mitjançant aquestes tècniques de deformació o conformat, una o més dimensions del material es redueixen de manera que, si es requereixen acumular grans deformacions, el que s'obté són làmines molt primes (laminació) o filaments (extrusió) que tenen poca utilitat pràctica, si es pensa en aplicacions de tipus estructural.

No obstant això, hi ha mètodes de deformació intensa en què el material pateix canvis mínims en les seves dimensions, de manera que no hi ha un límit geomètric definit a la deformació que es pot aconseguir, suposant que el material tingui la suficient ductilitat.

El terme superplasticitat introduït en metal lúrgia per Bochvar i Sviderskaya, el 1945, és la propietat que posseeix un material policristal d'experimentar (sense elevats esforços aplicats) grans allargaments, de manera isotròpica, sense fractura, quan està sotmès a esforços de tracció mecànica (Veure figura 1).

Encara que no existeix un límit d'allargament que delimiti el comportament superplàstica del que no ho és, els allargaments màxims a fractura que s'obtenen amb materials superplàstica varien des de diversos centenars a diversos milers per cent. En aliatges metàl·lics superplàstica s'han reportat deformacions de fins a un 8.000% en aliatges de bronze, alumini i altres materials.

En la literatura es reconeixen tres tipus de superplasticitat: la superplasticitat de transformacions, que s'exhibeix en materials policristalins que experimenten canvis dimensionals anisotròpics davant l'aplicació de canvis físics determinats. En segon lloc, la superplasticitat microestructural o de gra fi, que és la que s'exhibeix en materials policristalins metàl·lics, intermetàl o ceràmics, la grandària de gra no supera els 10 micres, quan són sotmesos a baixes velocitats de deformació i temperatures absolutes de l'ordre de, o major, que la meitat de la temperatura de fusió, sense arribar a aquesta. En tercer lloc la superplasticitat per esforços interns.

El que va interessar a molts investigadors va ser la gran ductilitat, definida com el benefici potencial de la superplasticitat en l'àrea del conformat de metalls, la qual va conduir al desenvolupament d'aquesta tècnica (Superplastic Forming, SPF) com a mitjà per conformar materials superplàstica de classe única . La tècnica de SPF es considera com un procés de conformació de formes gairebé acabades (near-net shape) que requereix d'una sola matriu superficial, en lloc dels parells de matrius que s'utilitzen normalment en les operacions de conformat de xapa metàl lica. Una làmina de material es conforma en un pas dins de la cavitat de la matriu (la qual s'escalfa prèviament a la temperatura desitjada) que sol tenir la forma final a les dimensions de la part desitjada, utilitzant gas a pressió, el procés es lustra esquemàticament a la figura 2.

La superplasticitat microestructural o de gra fi és la que s'utilitza per a l'obtenció de peces per conformat de xapes i els requisits bàsics per aconseguir deformació superplàstica són, fonamentalment, tres:

1. Microestructura amb gra fi, uniforme i equiaxial menor a 10 micres
2. Velocitat de deformació controlada, normalment en el rang 1x10 ^-5 - 1x10 ^-1 s ^-1
3. Temperatura experimental de treball major o igual de 0,5 T _m (on T _m és la temperatura absoluta de fusió del material)

Aquest últim requisit (que apareix pel fet que la superplasticitat és un procés controlat per difusió), sol ser incompatible amb la retenció d'un gra petit, ja que les altes temperatures afavoreixen el creixement de gra (pel que en alguns aliatges metàl·lics es necessita la presència de 'dispersoides' distribuïts uniformement per impedir el creixement de gra i que afavoreixin el comportament superplàstica).

A més del conformat convencional, per la tècnica de SPF es pot obtenir beneficis addicionals mitjançant la millora de la tècnica, impulsada principalment per la gran flexibilitat del procés. El SPF pot combinar amb altres processos de fabricació per a un millor i més eficient procés de conformat, per exemple amb processos d'unió convencional, unió per difusió (Difussion Bonding, DB) i embotició profunda (Deep Drawing, DD).

El SPF es combina amb la unió per difusió (Diffusion Bonding, DB) per fabricar formes més complexes (tipus bresca d'abella). La DB és la unió dos components mitjançant l'aplicació de càrrega a temperatures elevades on la unió molecular resultant és completament homogènia. Amb la tècnica SPF / DB les parts es fabriquen mitjançant la unió per difusió de diverses xapes o làmines amb un patró específic i, a continuació, s'expandeixen superplàstica les xapes per a produir una estructura integral rígida (Figura 3).

Es poden incorporar modificacions, alteracions o fins i tot característiques addicionals per tal de produir els conceptes avançats que enriqueixen la capacitat de la tècnica convencional SPF, en diversos mitjans i aspectes. Hi ha diversos exemples d'aquests conceptes que inclouen el SPF de doble cara, SPF de diverses parts i el SPF amb pressió posterior. L'últim concepte es lustra esquemàticament a la figura 4, on es representa la presència de pressió sobre la part posterior de la xapa conformat. No s'incrementen aspectes com el cost o l'eficiència, el que es vol és evitar o minimitzar la cavitació en la peça conformada i millorar així les seves propietats mecàniques, que es creu estan associades amb la presència de pressió posterior.

La combinació SPF / DD, per exemple, és un nou concepte en el qual una part es conforma parcialment mitjançant una embotició profunda ràpida, seguida per una etapa de SPF, que s'encarrega dels detalls complexos de la manera que es va crear. D'aquesta manera, el temps de conformació es redueix encara més, mantenint la importància del SPF. Un esquema del procés es mostra a la figura 5.

El conformat superplàstica comercial inclou preferencialment aliatges d'alumini, níquel, zinc i titani per a la producció de components en les indústries automotriu, aeroespacial, mèdica. Diverses aliatges lleugers de gran importància industrial i comercial exhibeixen superplasticitat, com l'aliatge de titani Ti6Al4V, l'aliatge d'alumini 5083 i l'aliatge de magnesi AZ31. De fet, per aquestes i moltes altres aliatges lleugers, el conformant mitjançant qualsevol altra tècnica seria poc pràctic, per la seva limitada deformabiiitat en les condicions de rebut. A la figura 6 es mostren algunes peces fabricades per aquest mètode.

Les propietats termomecàniques dels materials obtinguts amb aquesta tecnologia, fan que la seva aplicació industrial sigui insubstituïble per a l'obtenció de peces de formes complicades que requereixin altes exigències en el conformat o en el servei, com les parts estructurals d'avions supersònics. Actualment, aquesta propietat és present a ceràmics amb mida de gra <1 micres i ha situat l'estudi de ceràmics superplàstica com un camp de recerca de gran interès. En aquests últims s'han trobat deformacions de fins a un 1.040% en un policristal de zirconi tetragonal estabilitzat amb itri (YTZP).

El conformat superplàstica (SPF) ofereix molts avantatges respecte a les operacions de conformat convencionals:

• La capacitat per a conformar components amb formes molt complexes, que no poden ser fabricades per tècniques convencionals, o només es poden obtenir per múltiples conformats successius seguits per unió o soldadura de diverses parts
• La capacitat per donar forma, a materials molt difícils de conformar, amb relativa facilitat com són els aliatges de titani i magnesi, que se sap que tenen menor ductilitat en la condició d'arribada causa de les seves estructures cristal lines HCP
• Baix cost en matrius, ja que es necessita una matriu amb una sola cavitat per a conformar el component, independentment de la complexitat de la forma i de la relació d'aspecte dimensional
• El procés es realitza en un sol pas, produint un bé acabat o un component gairebé acabat
• Reducció del nombre total de parts i, en conseqüència, el nombre de fixacions i / o unions, el que comporta a la millora de la seguretat en determinades aplicacions (per exemple, el sector aeroespacial)
• Major flexibilitat de disseny i control dimensional

La tècnica de SPF s'ha enfrontat a una sèrie de reptes i problemes que impedeixen el seu ús generalitzat a major escala. Les costoses operacions de preconformado, com la preparació dels materials amb estructura de gra fi i l'escalfament a la temperatura de conformat desitjada, representen una d'aquestes qüestions. A més, pel fet que la velocitat està controlada i limitada, a velocitats baixes, fa el procés relativament lent i desfavorable per aplicar-lo en la producció d'un alt volum de components d'automoció. No obstant això, la tècnica proporciona una eina única per a conformat d'aliatges lleugers, i, malgrat els obstacles i reptes en el camí, encara ofereix notables avantatges i mèrits sobre les tècniques de conformat convencionals.

Referències

• JR Marty Delgado, JE Alonso Pérez, M. López Escobar. Caracterització del comportament superplàstica de materials: revisió de l'estat de l'art. V Conferència Internacional d'Enginyeria Mecànica, Universitat Central Marta Abreu de Las Villas, Cuba. 2008.
• Caballé Rodríguez, Ivan. Disseny i posada a punt d'un sistema de conformació per extrusió en canal angular per a obtenció de materials metàl·lics amb gra ultrafí. Tesi de Màster, Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica, Universitat Politècnica de Catalunya, 2005.
• A. Smolej, E. Slacek, R. Turk. State and development of some Wrought aluminum alloys for special and general applications. Metalurgija, Vol 41, N º 3, 2002, 149 - 155.
• Fadi K. Abu-Farhan, Marwan K. Khraisheh. An integrated approach to the Superplastic Forming of lightweight alloys: towards sustainable manufacturing. International Journal Sustainable Manufacturing, Vol 1, Nos 1 / 2, 2008, 18 - 40.
• Wang Gang, Zhang Kairo-Feng, Chen June Ruan Xue-Yu. Superplastic forming gas pressure of titanium alloys Bellows. Trans. Nonferrous Met. Soc Xina, Vol 14, N º 5, 2004, 896-900.
• Zhipeng Zeng, Yanshu Zhang, Yi Zhouc, Quanlin Jin. Superplastic Forming of Aluminum Alloy Car Body Panels. Materials Science Forum Vols. 475-479, 2005, 3025-3028.
• Han Wenbo, Zhang Kaifeng, Wang Guofeng. Superplastic forming and Diffusion bonding for Honeycomb structure of Ti-6Al-4V alloy. Journal of Materials Processing Technology, Vol 183, 2007, 450-454.
• Conformat de Xapa. Departament d'Enginyeria Mecànica i Fabricació. Tecnologia Mecànica, ETSEI, UPM, WIKIFAB.
• Peter Anderton. Superplastic Forming / Diffusion Bonding (SPF / DB) of Titanium and Aluminium Alloys, ENIMEP Novotel São Paulo Center, São Paulo, Brasil, 26th & 27th November 2007
• http://www.formtech.de/en/en-spfdb.htm