Superplasticidad de las aleaciones aeronáuticas de aluminio 2024 y magnesio WE54 mediante procesado severo por fricción-agitación (FSP)

Resumen

Cada año el consumo de materiales metálicos aumenta en la industria de manufactura a nivel global y se requieren procesos de conformado de mayor rapidez y más económicos. Además, todas las industrias mejoran cada día los procesos tecnológicos para ahorrar energía y preservar el medio ambiente. La industria del conformado superplástico tiene ventajas adicionales respecto al conformado convencional, ya que puede operar más rápido y fabricar piezas de geometrías más complejas. Los materiales metálicos con tamaños de grano fino y con una gran desorientación cristalográfica pueden presentar superplasticidad debido a la activación del mecanismo de deslizamiento de fronteras de grano (DFG). La operación de DFG permite deformar el material mediante esfuerzos especialmente bajos y obtener ductilidades muy elevadas a temperaturas intermedias y altas. Además, la reducción del tamaño de grano mejora también las propiedades mecánicas a temperatura ambiente, proporcionando mayores resistencias cuanto menor es el tamaño de grano (relación Hall-Petch). En este sentido, se ha probado que el procesado por Fricción-Agitación (FSP) es una técnica muy efectiva para el afino del grano, es fácil de usar en cualquier industria, cuenta con una herramienta que no se desgasta, puede procesar formas complejas y no es contaminante ni tóxico. Las aleaciones estructurales más ligeras, de aluminio y magnesio, son de especial interés para ser procesadas por FSP, ya que se busca extender su uso mediante la mejora de sus propiedades mecánicas, haciéndolas más competitivas. En la presente tesis doctoral se han procesado por deformación plástica severa (DPS) mediante la técnica de fricción-agitación (FSP) dos aleaciones ligeras utilizadas principalmente en la industria aeronáutica y automotriz (Al 2024 y Mg WE54). El objetivo principal fue disminuir el índice calorífico (IC) al mínimo, aumentando así la severidad a las condiciones más extremas para obtener microestructuras ultrafinas. El límite de procesado lo marcó el fallo del material y/o la herramienta de procesado. El IC se varió combinando distintas velocidades de rotación de la herramienta, ¿ (rpm) y velocidad transversal, V (mm/min). Se alcanzaron velocidades de procesado de 1000 mm/min para Mg WE54 y 1400 mm/min para Al 2024. Estos valores son record para estos materiales mediante FSP y no se han descrito en la bibliografía anteriormente. Para minimizar el crecimiento del tamaño de grano tras el paso de la herramienta debido al calor residual de procesado se seleccionaron dos soportes con diferentes velocidades de extracción de calor, uno de acero y uno de cobre refrigerado con nitrógeno líquido (a -60 Celsius). Además, ambos materiales fueron tratados para obtener los estados de mínima y máxima dureza para estudiar su influencia en el procesado. La microestructura fue analizada principalmente por MEB, MET y EBSD. Las propiedades mecánicas se analizaron en una máquina de tracción y un dispositivo de nano-indentación. Modificando la microestructura mediante un severo procesado por FSP, se logró un tamaño de grano nanométrico en las condiciones más severas y con la extracción de calor más rápida (810 nm en WE54 y 100 nm en Al 2024). Debido a esto, se consiguió una mejora importante de las propiedades mecánicas. Principalmente, se obtuvo superplasticidad en una ventana de temperaturas amplia a alta velocidad de deformación y a temperaturas más bajas de lo habitual. A 10-2 s-1 a 300 y 400 Celsius, se obtuvieron ductilidades de casi 300 y 500 por ciento en el Al 2024 y más de 400 y 750 por ciento en el Mg WE54, respectivamente. En esta tesis se detallan las condiciones óptimas de procesado. Dicho procesado por FSP facilita el conformado superplástico en condiciones altamente competitivas para la industria. Por lo tanto, se posibilita fabricar piezas complejas con tensiones y temperaturas más bajas y a velocidades de deformación más altas, con el consecuente ahorro económico y energético.