ES2305593T3

ES2305593T3 - Procedimiento para fabricar componentes y productos semielaborados que contienen aleaciones intermetalicas de aluminuro de titanio, asi como componentes que pueden fabricarse con este procedimiento.

Info

Publication number: ES2305593T3
Application number: ES04004407T
Authority: ES
Inventors: Jonathan Dr. Paul; Michael Dr. Oehring; Fritz Dr. Appel
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2008-11-01
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: CN1660540B; DE502004006993D1; ATE393699T1; US7870670B2; RU2306227C2; RU2005105411A; JP2005238334A; CA2496093C; US20060138200A1; EP1568486A1; CN1660540A; KR20060042190A; EP1568486B1; CA2496093A1

Abstract

Procedimiento para fabricar componentes o productos semielaborados que contienen exclusivamente aleaciones de aluminuro de titanio, con las siguientes etapas de procedimiento: a) contorneado rústico de la mayor parte de los cuerpos en forma de plancha de una o varias aleaciones de aluminuro de titanio, de modo que mediante esta etapa del procedimiento se obtiene una preforma sobredimensionada de la geometría del componente o del producto semielaborado que hay que fabricar; b) unión lamelar entre sí de la mayor parte de los cuerpos situados unos sobre otros para conformar un cuerpo completo; c) conformar la forma definitiva deseada del cuerpo completo.

Description

Procedimiento para fabricar componentes y productos semielaborados que contienen aleaciones intermetálicas de aluminuro de titanio, así como componentes que pueden fabricarse con este procedimiento.

La invención se refiere a un procedimiento para fabricar componentes que contienen exclusivamente aleaciones de aluminuro de titanio, así como a componentes que se fabrican con este procedimiento.

Los componentes o los productos semielaborados con aleaciones intermetálicas de aluminuro de titanio de tipo convencional, tal y como se conocen en el estado actual de la técnica, si se fabrican con métodos convencionales, muestran en relación con su solidez, su comportamiento plástico y su resistencia a altas temperaturas, desventajas y/o deficiencias provocadas por las particularidades metalúrgicas de estos materiales.

Las aleaciones de aluminuro de titanio técnicamente relevantes contienen de 40 a 50% at. de aluminio y hasta 15% at. de otros elementos, por ejemplo, Nb, Cr, Si, B y un resto de titanio. Las aleaciones de este tipo están formadas por \gamma (TiAl) como fase mayoritaria y \alpha_{2} (Ti_{3}Al) como fase minoritaria. En dependencia de la composición de la aleación y del tratamiento térmico pueden aparecer aún otras fases minoritarias. Ejemplos de aleaciones de aluminuro de titanio son los siguientes (datos en % at.):

: Ti - 48Al - 2Cr - 2Nb

: Ti - 47Al - 1Cr - 1Nb - 0,5B

: Ti - 44Al - 4Nb - 2Zr - 0,5Si

: Ti - 45Al - 10Nb - 0,2B - 0,2C

Las aleaciones de este tipo se caracterizan generalmente por una baja densidad, módulos elásticos elevados, buena solidez y buena resistencia a la oxidación. Debido a estas propiedades poco comunes las aleaciones de aluminuro de titanio han despertado gran interés para aplicaciones en tecnologías con altas temperaturas. La aplicación técnica de las aleaciones, sin embargo, se dificulta a causa de su gran fragilidad, la que se mantiene también a temperaturas muy altas. Esto provoca fallas en los materiales o incluso falta de homogeneidad en la estructura, lo que resulta extraordinariamente desventajoso para la solidez y la confiabilidad de los componentes fabricados con estas aleaciones. Hasta ahora no se ha logrado mejorar a través de los efectos de las aleaciones las bajas fragilidad y tolerancia a los daños de las aleaciones de aluminuro de titanio predefinidas por la naturaleza de las fases intermetálicas. Los trabajos para desarrollar procedimientos de fabricación adecuados para las aleaciones de aluminuro de titanio se concentran por eso para los procedimientos metalúrgicos convencionales, por ejemplo, fundición o conformación en caliente, en la identificación de parámetros con los que se puedan ajustar las estructuras finas y homogéneas desde el punto de vista químico. Esto conduce, por un lado, a que no se pueda aprovechar completamente el potencial de propiedades a altas temperaturas, porque las estructuras finas ajustadas, por ejemplo, reducen la resistencia a la fluencia y la viscosidad de las aleaciones. Por otro lado, las propiedades mecánicas que se logran en algunos componentes están limitadas porque es inevitable que las estructuras no sean totalmente homogéneas debido a la sección transversal de los componentes. La causa de esto radica en que la morfología de la estructura depende a menudo de la sección transversal local de los componentes, la que, por ejemplo, con una fabricación mediante técnica de forja, determina el grado de deformación local o con una fabricación mediante procedimiento de colada determina la tasa de enfriamiento.

Como otras fases intermetálicas, la fase mayoritaria \gamma (TiAl) presente en las aleaciones de aluminuro de titanio tipo \gamma evidencian considerables anisotropías, por ejemplo, de las propiedades elásticas o plásticas. Las estructuras lamelares ajustadas preferidas en las aleaciones de aluminuro de titanio intensifican la anisotropía de las propiedades mecánicas. Por eso es posible evitar a través del procedimiento de fabricación determinadas orientaciones de los cristales en los componentes. En efecto, la textura de los componentes con secciones transversales muy variables al igual que la estructura sólo puede controlarse hasta cierto punto a través de la sección transversal completa del componente, lo que conduce a su vez a que no se pueda aprovechar completamente todo el potencial de propiedades.

En metalurgia, las aleaciones de aluminuro de titanio ya se ofertan actualmente en todos los tipos de los productos habituales, por ejemplo, piezas fundidas, productos semielaborados conformados y en polvos.

La fundición de las aleaciones de aluminuro de titanio es un procedimiento relativamente barato y muy apropiado para fabricar componentes de geometría complicada. La tecnología, sin embargo, resulta costosa debido a la alta temperatura de fusión, aproximadamente 1.460ºC y la fuerte reactividad de las aleaciones de aluminuro de titanio. La capacidad de conformado de las aleaciones de aluminuro de titanio es baja. Por eso para fabricar componentes de filigrana se requieren técnicas de fundición especiales y/o fundiciones centrifugadas. Durante la solidificación y el subsiguiente enfriamiento de la carga fundida aparecen transformaciones alotrópicas y reacciones de orden que conducen inevitablemente a la segregación de los elementos de la aleación y a una textura de fundición muy fuerte. La estructura que se forma durante la solidificación depende de la velocidad de enfriamiento y por eso puede variar según el espesor de la pared del componente. En las piezas fundidas aparecen a menudo rechupes y poros. Estas deficiencias de la calidad se incrementan al aumentar el tamaño de los componentes y no se toleran en muchas aplicaciones.

Para consolidar y refinar los cuerpos fundidos que no son muy homogéneos desde el punto de vista químico y estructural se emplean, como con los materiales convencionales, tecnologías de conformación de metales, por ejemplo, forja y extrusión. El mejoramiento de la estructura que así se logra depende fundamentalmente del grado de deformación que se alcanza durante la conformación. En las aleaciones de aluminuro de titanio la dimensión de la conformación está fuertemente limitada sobre todo por la tendencia del material a la rotura por fragilidad. Por este motivo en la periferia de los cuerpos forjados aparecen con frecuencia prematuramente grietas que evitan más deformación. Por eso al forjar las aleaciones de aluminuro de titanio el grado de deformación se limita por lo general al 80%. Sin embargo, así no puede logarse ni la refinación ni la consolidación satisfactoria de la estructura. Los productos semielaborados así conformados muestran sectores en los que aún existe una rústica estructura de metal fundido. Además, químicamente, las estructuras son claramente no homogéneas. Los productos semielaborados de este tipo sólo pueden utilizarse dentro de determinados límites para los componentes sometidos a grandes esfuerzos.

Durante la extrusión, a la conformación se superponen altas tensiones de compresión hidrostáticas, lo que impide de manera muy efectiva la aparición de grietas. Así pueden alcanzarse muy elevados grados de deformación, como en la forja, lo que mejora de modo considerable la calidad de la estructura. Sin embargo, a pesar de la fuerte deformación en los productos semielaborados extrudidos persisten evidentes faltas de homogeneidad química y estructural que dificultan mucho el empleo del material para componentes que requieren alto grado de seguridad. Particularmente desventajosos para la fabricación de componentes es que durante la extrusión aparecen productos semielaborados muy delgados. Por lo general, la sección transversal de la pieza se reduce en una proporción de 10:1 o más. En la actualidad se pueden fabricar cuerpos fundidos de suficiente calidad con diámetro máximo de sólo 300 mm. Durante la extrusión aparecen productos semielaborados que son apropiados sólo para determinados tipos de componentes. No obstante, un material extrudido resulta muy apropiado para posteriores conformaciones mediante forja y laminación. Para esta conformación secundaria se logra nuevamente un claro mejoramiento de la estructura, de modo que los componentes así fabricados pueden mostrar elevados niveles de calidad. Sin embargo, debido a la forma muy delgada de los productos semielaborados extrudidos, con la forja subsiguiente sólo pueden llenarse volúmenes muy pequeños del componente y, sobre todo, no pueden fabricarse componentes de gran superficie.

Sin embargo mediante laminado a partir de material extrudido se pueden fabricar chapas y planchas delgadas de superficies relativamente grandes. Gracias a la conformación mediante laminado estas chapas y planchas resultan muy homogéneas tanto desde el punto de vista estructural como químico, pero en relación con la dirección de la laminación muestran una textura notable y por eso son mecánicamente anisótropas.

Las desventajas que ya se mencionaron para las tecnologías de fundición y conformación pueden evitarse si se emplean procedimientos de fabricación pulvimetalúrgicos. Así, polvos de aluminuro de titanio prealeados se compactan reiteradamente mediante compresión isostática a temperatura elevada, por lo que en principio no hay límite para el tamaño del cuerpo compactado. Otra de las ventajas de este procedimiento de fabricación pulvimetalúrgico es que los cuerpos compactados son muy homogéneos tanto desde el punto de vista estructural como químico, y no presentan ninguna textura. Mezclando polvos con diferente composición de diferente microestructura puede variarse el perfil de las propiedades mecánicas. A primera vista, los productos semielaborados de aluminuro de titanio fabricados por vía pulvimetalúrgica parecen muy apropiados para fabricar componentes de gran tamaño con ayuda del subsiguiente proceso de forja.

Sin embargo, una desventaja grave de las técnicas pulvimetalúrgicas es que en las partículas de polvo hay con frecuencia gas atomizado. Durante los siguientes pasos de conformación este gas se libera y provoca entonces porosidad. Por eso se evita emplear materiales fabricados por vía pulvimetalúrgica en los componentes que se someterán a grandes esfuerzos y requieran un alto grado de seguridad.

El documento GB-A-2 239 214 da a conocer un procedimiento para fabricar una estructura sándwich que consta de una cantidad de chapas de un primer tipo y una cantidad de chapas de un segundo tipo y estas chapas de segundo tipo constan obligatoriamente de una unión matriz-vidrio o una unión matriz-cerámica-vidrio o una unión matriz-cerámica.

La tarea de la presente invención es, por consiguiente, disponer de un procedimiento con el que se puedan fabricar componentes o productos semielaborados de aleaciones metálicas que puedan soportar cargas elevadas, que puedan mostrar una gran dilatación geométrica, gran resistencia a altas temperaturas y que no presenten las desventajas de los componentes ya conocidos en el estado actual de la técnica y mencionados anteriormente, y fabricados mediante los procedimientos ya conocidos. Así como que el procedimiento para la fabricación de estos componentes o productos semielaborados sea de fácil realización y pueda apoyarse en las etapas del procedimiento de fabricación que son ya convencionales y conocidas en el estado actual de la técnica, por lo que mediante el procedimiento de acuerdo con la invención podrían fabricarse componentes y productos semielaborados con características que no se presentan en los componentes y productos semielaborados fabricados con los procedimientos conocidos.

La tarea se logra con el procedimiento de acuerdo con la invención y que presenta las características de la reivindicación 1 de la presente solicitud.

La ventaja de la solución de acuerdo con la invención radica en que los cuerpos de partida para unir la realización del cuerpo completo, originado en la última etapa del procedimiento, son chapas y planchas relativamente delgadas y planas que pueden fabricarse como productos semielaborados mediante tecnologías de conformado, por ejemplo, laminación, extrusión y forja. Además, de acuerdo con la invención, también pueden emplearse productos semielaborados de metal, aleaciones metálicas planas o en forma de planchas, que hayan sido fabricados mediante fundición o procedimiento pulvimetalúrgico.

En el sentido de la invención la forma definitiva tridimensional de los componentes se alcanza mediante estratificación de cuerpos en forma de plancha. Estos cuerpos en forma de plancha que forman capas tienen la forma de superficies de corte paralelas a través del componente y pueden considerarse como discos del componente.

El concepto "contornos rústicos", según la etapa de procedimiento a., se debe entender como que después de agrupar los cuerpos en forma de plancha y/o discoidales se selecciona una preforma poco sobredimensionada del componente que hay que fabricar de acuerdo con la invención. También las formas curvadas de los componentes se pueden hacer mediante agrupamiento a través de contornos rústicos escalonados de los cuerpos en forma de plancha y/o discoidales, los que por consiguiente muestran ya una superficie contorneada escalonada tridimensional.

Los cuerpos en forma de plancha y/o discoidales fabricados mediante laminación, extrusión, forja, fundición o procedimiento pulvimetalúrgico muestran, precisamente por utilizar estas técnicas, una microestructura y una textura predeterminada, que está definida para el cuerpo completo según las especificaciones deseadas prefijadas. Aquí no se presentan las desventajas de los cuerpos completos fabricados según otros procedimientos, porque las propiedades del cuerpo completo formado por los cuerpos en forma de plancha están definidas capa a capa.

La unión entre sí de los cuerpos en forma de plancha situados unos sobre otros para conformar un cuerpo completo puede hacerse mediante soldadura. Así en el interior del cuerpo completo no hay cambios de estructura provocados por el proceso de unión.

La forma definitiva deseada, según la etapa de procedimiento c., se puede lograr por medio de los procedimientos de conformación ya conocidos; sin embargo, así los cuerpos en forma de plancha unidos entre sí conservan bien su microestructura.

De acuerdo con una concepción muy ventajosa del procedimiento el contorno rústico de los cuerpos en forma de plancha se logra mediante moldeado sin arranque de virutas, por ejemplo, por estampación de los cuerpos en forma de plancha a partir de productos semielaborados en forma de chapa o plancha.

Sin embargo, también es posible lograr, preferiblemente mediante corte, la estructura rústica de los cuerpos en forma de plancha, lo cual puede hacerse mecánicamente o, por ejemplo, mediante procedimiento de corte por láser, etc.

La unión entre sí de los cuerpos en forma de plancha situados unos encima de otros para conformar un cuerpo completo puede hacerse mediante soldadura por difusión, lo cual resulta muy ventajoso. La soldadura por difusión puede realizarse a temperaturas relativamente bajas de 900ºC - 1.100ºC y a una presión entre 20 y 100 MPa, de modo que sin tener en cuenta la zona en la que se procede a soldar directamente, en el material de los cuerpos en forma de plancha no hay cambios de estructura.

De acuerdo con otra concepción muy ventajosa del procedimiento, la unión entre sí de los cuerpos en forma de plancha situados unos encima de otros se logra mediante las correspondientes uniones soldadas entre los cuerpos en forma de plancha.

La forma definitiva del cuerpo completo se logra preferiblemente mediante forja del cuerpo completo. La ventaja de ésto reside en que este proceso de forja promueve una consolidación adicional y una homogenización del material, y los cambios de estructura existentes en la zona donde se realiza la soldadura casi desaparecen totalmente. Ésto es muy ventajoso para los componentes que se someterán a grandes esfuerzos y requerirán alto grado de seguridad.

En principio, para lograr la forma definitiva del cuerpo completo según la etapa de procedimiento c. sirven todos los procedimientos adecuados, por ejemplo, conformación con arranque de virutas en máquinas herramienta o conformación final mediante los ya conocidos métodos erosivos. Estos últimos procedimientos mencionados pueden emplearse también para la forja de la forma definitiva del cuerpo completo.

Realizar el procedimiento de una forma específica, por ejemplo, combinando el proceso de unión de los cuerpos en forma de plancha entre sí y la posterior forja, puede ser ventajoso para reducir el tiempo y los costes, haciendo la unión de los cuerpos en forma de plancha situados unos encima de otros y/o obteniendo la forma definitiva del cuerpo completo al vacío o en una atmósfera de gas inerte. Con este procedimiento especial de fabricación al vacío, o en una atmósfera de gas inerte, hay que garantizar que durante la forja las zonas de unión de los cuerpos en forma de plancha, por ejemplo, mediante la soldadura por difusión, no entren en contacto con el oxígeno.

El procedimiento es muy ventajoso para darle forma al cuerpo completo en el que los cuerpos en forma de plancha que constituyen el cuerpo completo están compuestos por diferentes aleaciones de aluminuro de titanio. Así, por ejemplo, se pueden emplear cuerpos en forma de plancha con diferente composición, diferente microestructura, diferente textura. Así, por ejemplo, pueden aprovecharse aleaciones de aluminuro de titanio bifásicas con composiciones muy diferentes para los distintos cuerpos en forma de plancha y así, por ejemplo, se tienen en cuenta la diferente resistencia a la oxidación de cada aleación y la diferente solidez de las aleaciones.

Así también se tiene en cuenta el hecho de que la resistencia a la oxidación de las aleaciones de aluminuro de titanio aumenta cuando hay mayor contenido de aluminio que puede incrementarse más al adicionar Nb, mientras que la solidez de las aleaciones de aluminuro de titanio aumenta al disminuir el contenido de aluminio y puede afectarse al adicionar otros elementos como Nb, Mo, W, B, C o Si.

El procedimiento puede seguir perfeccionándose de modo que los cuerpos en forma de plancha que constituyen el cuerpo completo muestren una microestructura diferente y/o una textura diferente. Fundamentalmente las aleaciones de aluminuro de titanio bifásicas pueden fabricarse con microestructuras muy diferentes. Las propiedades mecánicas de estas aleaciones de aluminuro de titanio que constituyen los distintos cuerpos en forma de plancha dependen mucho del porcentaje volumétrico relativo de los granos globulares \gamma (TiAl), \alpha_{2} (Ti_{3}Al) y colonias lamelares que forman las microestructuras, por lo que los discos y/o las capas definidos teniendo en cuenta estas relaciones de los cuerpos en forma de plancha, pueden posicionarse en el cuerpo final, de modo que todas las propiedades que se pretenden estén en el cuerpo final, se hallen definidas de manera determinable.

Finalmente, el procedimiento ha de realizarse de manera que la orientación de las superficies de los cuerpos situados unos encima de otros se establezca en relación con la orientación en el sentido principal del esfuerzo de la forma definitiva del cuerpo completo.

Todas las medidas expuestas anteriormente en relación con la estructura de los componentes fabricados con el procedimiento posibilitan que se logre un material graduado que tenga en cuenta los más disímiles esfuerzos en las distintas zonas del componente. Esto se refiere no sólo a la composición de la aleación de aluminuro de titanio sino también a la atención que hay que brindarle a la orientación en el sentido principal del esfuerzo de todo el cuerpo ya con su forma definitiva.

Un componente fabricado como se describió anteriormente según el procedimiento de acuerdo con la invención, por ejemplo, es un componente para motores a reacción capaz de soportar las más elevadas cargas mecánicas y térmicas. Un componente de este tipo para motores a reacción es, por ejemplo, un disco rotatorio para motores a reacción o construcciones con rotor tales, como en las que el disco rotatorio tiene álabes, o sea, blisks (blade integrated disk) o en los que se emplean discos anulares que giran provistos de álabes, o sea, blings (blade integrated ring).

A continuación la invención se describe más detalladamente por medio de representaciones esquemáticas de dos ejemplos de realización.

Se muestra en la:

Fig. 1: Representación en perspectiva de un componente constituido por cuerpos en forma de plancha según el procedimiento.

Fig. 2a: Estructura de un componente acorde con la Figura 1 constituido por cuerpos en forma de plancha situados en capas verticales.

Fig. 2b: Estructura de un componente acorde con la Figura 1 con cuerpos en forma de plancha situados en capas horizontales.

Fig. 3: Componente acorde con la Figura 2b en representación vertical desarrollada en la que, por ejemplo, dos cuerpos en forma de plancha discoidales están orientados con un ángulo \alpha diferente respecto de su dirección de laminación WR (para representar el principio sólo aparecen dos cuerpos en forma de plancha).

Fig. 4: Representación esquemática de una matriz para introducir tensiones de compresión al unir los cuerpos en forma de plancha mediante soldadura por difusión; el componente está constituido por varios cuerpos en forma de plancha según la Figura 2b.

Fig. 5: Representación esquemática de una matriz acorde con la Figura 3 con una corredera adicional para propagar la tensión hidrostática durante la compactación isostática a elevada temperatura y una cápsula cerrada a prueba de vacío.

Fig. 6: Representación esquemática de distintas etapas de la fabricación de un componente constituido por cuerpos en forma de plancha discoidales, en la que la etapa a. representa los cuerpos en forma de plancha situados unos encima de otros; la etapa b. representa los cuerpos en forma de plancha unidos mediante soldadura por difusión; la etapa c. representa la forja de la preforma y la etapa d. representa el componente ya terminado con la forma deseada.

Fig. 7: Un corte en forma de imagen tomada con microscopio electrónico de barrido a través de un componente para representar la zona de soldadura después de realizada la soldadura por difusión de un componente con ocho cuerpos en forma de plancha constituidos por una aleación técnica de aluminuro de titanio.

Fig. 8: Un corte a través de una zona de soldadura acorde con la Figura 6 pero con más aumento.

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Primero se hace referencia a las representaciones de las Figuras 1, 2a y 2b. La Figura 1 muestra el cuerpo completo 10 que debe fabricarse con el procedimiento aquí descrito. El cuerpo completo representado en la Figura 1 es simétrico con el eje de rotación 10 (en el gráfico se extiende verticalmente).

Ejemplo 1 Fabricación de un componente discoidal de simetría rotativa con una estructura de material graduado

Las figuras 2a y 2b muestran la estructura de un cuerpo completo y/o un componente 10 con dos disposiciones diferentes de los cuerpos en forma de plancha 11 que constituyen el cuerpo completo 10. La disposición de las capas formadas por los cuerpos en forma de plancha 11 dentro del cuerpo completo 11 se selecciona de acuerdo con el sentido de la carga máxima que se espera reciba el componente. La disposición que se muestra en la Figura 2b de los cuerpos en forma de plancha se selecciona para un cuerpo completo 10 que recibe la carga de fuerzas de centrifugación por girar alrededor de un eje de rotación 19. En este caso las uniones de los cuerpos en forma de plancha 11, que situados unos encima de otros en una cantidad previamente determinada forman el cuerpo completo 11, se hacen mediante soldadura o métodos semejantes. En este caso (Figura 2b) las uniones por soldadura no están afectadas por las tensiones de tracción o cizallamiento. Las uniones por soldadura entre los cuerpos en forma de plancha 11, situados unos encima de otros, influyen poco en el componente formado por el cuerpo completo 10.

En efecto, un aspecto muy importante para la característica del cuerpo completo 10 es que éste, de acuerdo con la carga esperada a través de los cuerpos en forma de plancha 11, puede concebirse con composición y microestructura diferentes. Para esto son válidas las siguientes reglas:

: Cuerpos en forma de plancha 11 con microestructuras lamelares si se requiere resistencia contra la propagación de grietas y resistencia a la fluencia.

: Cuerpos en forma de plancha 11 con microestructura dúplex si se requiere buena ductilidad.

: Cuerpos en forma de plancha 11 de aleaciones contentivas de Nb de 5 a 10% at. si se requiere buena resistencia a la oxidación.

: Cuerpos en forma de plancha 11 de aleaciones con una composición básica de Ti - 45Al - (5-10)Nb-B-C si se requiere gran solidez y resistencia a la fluencia.

Igualmente las anisotropías existentes en las chapas laminadas que, por ejemplo, representan el material de partida para los cuerpos en forma de plancha 11, pueden utilizarse en determinada dirección para fortalecer las propiedades de solidez del componente constituido por el cuerpo completo 10, mientras las chapas con igual orientación se sitúan unas sobre otras.

Con la disposición de los discos de los componentes y el manifiesto esfuerzo por las fuerzas centrífugas que se muestran en la figura 2b, las propiedades mecánicas tienen que ser lo más isotrópicas posible respecto del eje de rotación 19. Esto puede lograrse haciendo girar los cuerpos en forma de plancha 11 en torno al eje de rotación 19 del componente formado por el cuerpo completo 10, de modo que las direcciones de laminación (WR) 12 -véase también la figura 3- de los distintos cuerpos en forma de plancha 11 estén dispuestas regularmente alrededor del eje de rotación 19 del componente formado por el cuerpo completo 10. Si el componente está constituido por n cuerpos en forma de plancha 11, entonces el ángulo \alpha en torno al cual tienen que girar en sentido opuesto las direcciones de laminación 12 de los cuerpos en forma de plancha contiguos será, \alpha = 180º/n. Esto se representa esquemáticamente en la figura 3 para ambos cuerpos en forma de plancha 11 de un cuerpo completo 10 constituido por n cuerpos en forma de plancha.

La mayor parte de los cuerpos en forma de plancha, constituidos según la figura 2a o la figura 2b se contornearon previamente de forma tosca según la forma definitiva que se deseaba para el componente 10, es decir, se troquelaron, cortaron o preconformaron a partir de productos semielaborados en forma de plancha y/o chapa (esto no aparece en la figura).

Los cuerpos en forma de plancha 11 situados unos encima de otros, independientemente de si están situados como se indica en la figura 2a o en la figura 2b, se unen entonces entre sí con un procedimiento de unión adecuado. La soldadura por difusión es muy apropiada para unir entre sí los cuerpos en forma de plancha 11 ya que se requieren temperaturas entre 900ºC y 1.000ºC y tensiones de compresión entre 20 y 100 MPa. Con estas condiciones no cambia la microestructura salvo directamente en la zona de soldadura cuyo ancho es sólo algunos \mum.

Las figuras 6 y 7 muestran como ejemplo imágenes de estructuras con varios, por ejemplo, ocho cuerpos planos en forma de plancha 11 unidos mediante soldadura por difusión y constituidos por una aleación técnica de aluminuro de titanio. En este caso los cuerpos en forma de plancha 11 se soldaron en una máquina de ensayo mecánica al vacío con una tensión de compresión de 40 MPa, a una temperatura de 950ºC y la carga para un tiempo de dos horas.

Estas imágenes tomadas por un microscopio electrónico de barrido permiten reconocer con facilidad que en la zona de soldadura casi no hay cambio de estructura. Por consiguiente la soldadura por difusión es muy adecuada como procedimiento de unión para el procedimiento de fabricación de acuerdo con la invención (etapa de procedimiento b.). Una estructura eventualmente graduada ajustada del material que constituye los cuerpos en forma de plancha 11 permanece inalterable, lo que también es así en el cuerpo completo 11.

En los componentes con superficies curvadas la tensión de compresión que se requiere para la soldadura por difusión tiene que introducirse a través de matrices en las que se graba el negativo del componente.

Para el componente que se muestra en la figura 2a esto aparece representado esquemáticamente en la figura 4. Hay que tener en cuenta que el material para matrizar no se puede hacer reaccionar con el material de los cuerpos en forma de plancha 11. Los materiales adecuados para matrizar son molibdeno, cerámicas SiC, cerámicas Si_{3}N_{4} o cerámicas Al_{2}O_{3}. Con temperaturas de hasta 1.000ºC pueden utilizarse también aleaciones de alta temperatura convencionales. La soldadura por difusión de los cuerpos en forma de plancha 11 de aleaciones de aluminuro de titanio tiene que realizarse al vacío o en una atmósfera de gas inerte.

Con las condiciones indicadas la soldadura por difusión también puede realizarse en una instalación para compactación isostática a temperatura elevada. Para esto los elementos en forma de plancha 11 situados unos encima de otros tienen que mantenerse de forma adecuada y, en lo posible según la forma, tienen que colocarse en una cápsula evacuada. En la figura 5, aparece la representación esquemática de la situación de los cuerpos en forma de plancha 11 mostrada en la figura 2a. Aquí también hay que evitar las reacciones entre los cuerpos en forma de plancha 11 de aleaciones de aluminuro de titanio y las correderas 16, 17. Los materiales apropiados para las correderas son molibdeno, cerámicas SiC, cerámicas Si_{3}N_{4} o cerámicas Al_{2}O_{3}. Como materiales para las cápsulas pueden emplearse, por ejemplo, acero fino o titanio. Si no se utilizan las correderas 16, 17, entonces pueden evitarse las reacciones entre las paredes de la cápsula 15 y los cuerpos en forma de plancha 11, por ejemplo, mediante folios de molibdeno (espesor > 0,1 mm). De acuerdo con la temperatura puede utilizarse soldadura por difusión u otras técnicas también apropiadas como la soldadura con latón.

Después de la unión la forma definitiva del cuerpo completo 10 puede lograrse con las técnicas de arranque de virutas usuales para trabajar los metales, por ejemplo, torneado, taladrado, fresado, mecanizado electroerosivo o avellanado electroquímico.

Ejemplo 2 Fabricación de un componente discoidal situando unos sobre otros los cuerpos en forma de plancha 11, soldadura de los cuerpos en forma de plancha 11 y posterior forja

Las etapas del procedimiento se describen mediante el cuerpo completo 10 concebido como cuerpo rotativo representado en la figura 2b. La preforma del cuerpo completo 10 se fabrica primero como se describe en el Ejemplo 1 a partir de cuerpos discoidales y/o en forma de plancha 11. Después de la unión por soldadura viene otra etapa de conformación que es la forja, en la que el componente recibe la forma definitiva o casi definitiva.

Las distintas etapas de fabricación aparecen en la figura 6. La altura y el diámetro del cuerpo completo 10 representado en la figura 6b se tienen que definir teniendo en cuenta las dimensiones definitivas del componente discoidal representado en la figura 6d. La proporción debe ser h/d \leq 2, de modo que se pueda evitar el pandeo de la preforma durante la forja. La forja puede realizarse a temperaturas entre 950ºC y 1.420ºC, los grados de deformación de menos del 20% son los más convenientes. Una condición previa importante para la forja es que los cuerpos discoidales o en forma de plancha 11 muestren una estructura relativamente fina y homogénea desde el punto de vista químico. En este sentido los cuerpos en forma de plancha 11 debieran estar fabricados de chapas y planchas fabricadas mediante conformado. Con la forja adicional se logra una mejor estructura que con el procedimiento de fabricación expuesto en el Ejemplo 1. Además la textura especial de las zonas de soldadura se repondría totalmente. Esto resulta muy importante para fabricar componentes que soportarían elevadas cargas como turbinas de gas y discos de rotor.

La ventaja fundamental del procedimiento de acuerdo con la invención cuando se compara con las técnicas de forja convencionales que parten de materiales fundidos, es que los cuerpos en forma de plancha 11 muestran ya una estructura bien consolidada. Así, con bajos grados de deformación se implanta una recristalización muy intensa. Los materiales de este tipo muestran durante la forja un buen comportamiento de flujo. Así, con la forja en matriz pueden lograrse cambios de forma muy complejos, de modo que los componentes pueden forjarse casi con la forma definitiva.

Ejemplo 3 Fabricación de un componente discoidal, combinación de soldadura por difusión y forja en una sola operación

La soldadura por difusión y la forja pueden combinarse en una sola operación y así se reducen los costes.

Para esto hay que combinar las etapas parciales b. y c. según la figura 5. Con este procedimiento de fabricación la forja tiene que realizarse al vacío o en una atmósfera de gas inerte, de modo que las costuras de soldadura no se contaminen con oxígeno. La forja en sí puede realizarse al aire pero los cuerpos en forma de plancha 11 tienen que encapsularse según los puntos de vista descritos en el Ejemplo 1 y la figura 5.

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Para finalizar se vuelve a hacer referencia a las figuras 7 y 8. La figura 7 muestra una imagen hecha por un microscopio electrónico de barrido de la estructura en la zona de soldadura después de unir los cuerpos en forma de plancha 11 con soldadura por difusión en un grupo de ocho cuerpos planos en forma de plancha 11 de una aleación técnica de aluminuro de titanio. Los cuerpos en forma de plancha se soldaron entre sí a 950ºC durante dos horas en una máquina para ensayo al vacío con una tensión de 40 MPa. En la imagen de la figura 7 hay dos zonas de soldadura señaladas con flechas. En la figura 8 se muestra el lugar (flecha 2) según la figura 7 con mayor aumento.

Lista de números de referencia

10: Cuerpo completo/componente

11: Cuerpos en forma de plancha

12: Sentido de laminado

13: Matriz

14: Matriz

15: Cápsulas de la patente

16: Corredera

17: Corredera

18: Columna de aspiración al vacío

19: Eje de rotación

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Documentos mencionados en la descripción Esta lista de los documentos mencionados por el solicitante ha sido confeccionada exclusivamente para la información del lector y no forma parte integral del documento de patente europea. La misma fue confeccionada con sumo cuidado; pero la EPA no asume ninguna responsabilidad por cualquier error u omisión. Documentos de patente mencionados en la descripción

\bullet GB 2239214 A [0013]

Claims

1. Procedimiento para fabricar componentes o productos semielaborados que contienen exclusivamente aleaciones de aluminuro de titanio, con las siguientes etapas de procedimiento:

a) contorneado rústico de la mayor parte de los cuerpos en forma de plancha de una o varias aleaciones de aluminuro de titanio, de modo que mediante esta etapa del procedimiento se obtiene una preforma sobredimensionada de la geometría del componente o del producto semielaborado que hay que fabricar;

b) unión lamelar entre sí de la mayor parte de los cuerpos situados unos sobre otros para conformar un cuerpo completo;

c) conformar la forma definitiva deseada del cuerpo completo.

2. Procedimiento para fabricar componentes o productos semielaborados que contienen exclusivamente aleaciones de aluminuro de titanio, con las siguientes etapas de procedimiento:

b) agrupamiento unos sobre otros de la mayor parte de los cuerpos en forma de plancha para conformar un cuerpo completo;

c) unión de los cuerpos que componen el cuerpo completo y conformar la forma definitiva que se desea para el cuerpo completo, en la que la unión y la conformación de la forma definitiva se realizan en un solo paso de trabajo.

3. Procedimiento según una o ambas de las reivindicaciones 1 ó 2 caracterizado porque el contorneado rústico de los cuerpos en forma de plancha se hace por moldeado sin arranque de virutas.

4. Procedimiento según una o ambas de las reivindicaciones 1 ó 2 caracterizado porque la realización de la estructura rústica de los cuerpos en forma de plancha se logra mediante corte.

5. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 4 caracterizado porque la unión de los cuerpos en forma de plancha situados unos sobre otros se hace con soldadura por difusión.

6. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 4 caracterizado porque la unión de los cuerpos en forma de plancha situados unos sobre otros se logra mediante soldadura por efecto capilar.

7. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 6 caracterizado porque la forma definitiva del cuerpo completo se logra mediante corte del cuerpo completo.

8. Procedimiento según una o ambas de las reivindicaciones 5 ó 7 caracterizado porque la unión de los cuerpos en forma de plancha y la conformación de la forma definitiva del cuerpo completo se logran en un dispositivo.

9. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 5 ó 7 y 8 caracterizado porque la unión de los cuerpos en forma de plancha situados unos sobre otros y/o la conformación de la forma definitiva del cuerpo completo se
logra(n) al vacío.

10. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 2 ó 7 y 8 caracterizado porque la unión de los cuerpos en forma de plancha situados unos sobre otros y/o la conformación de la forma definitiva del cuerpo completo se logra(n) en una atmósfera de gas inerte.

11. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 10 caracterizado porque los cuerpos en forma de plancha que componen el cuerpo completo son respectivamente de diferentes aleaciones de aluminuro de titanio.

12. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 11 caracterizado porque los cuerpos en forma de plancha que componen el cuerpo completo muestran una microestructura diferente.

13. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 12 caracterizado porque los cuerpos en forma de plancha que componen el cuerpo completo muestran una textura diferente.

14. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a la 13 caracterizado porque la orientación de las superficies de los cuerpos situados unos sobre otros se establece respecto de la orientación de la dirección principal del esfuerzo de la forma definitiva.