ES2317963T3 - Procedimiento para el ensamblaje de un elemento compuesto de material resistentes a altas temperaturas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto por ensamblaje de al menos un elemento estructural no metálico (1) con uno o varios elementos estructurales metálicos (2) o no metálicos (1) formados por materiales resistentes a altas temperaturas, con o sin escotaduras superficiales integradas en ellos y con la incorporación, al menos en la(s) área(s) de ensamblaje, de una capa intermedia metálica (2) aplicada materialmente sobre el elemento estructural no metálico (1), caracterizado porque sobre la superficie de al menos un elemento estructural (1) de un material no metálico resistente a altas temperaturas, que incluye las áreas de las escotaduras (4) dispuestas en su superficie, se aplica, marcando el contorno, una hoja metálica (2) de 10 a 2.000 µm de grosor mediante un proceso de embidonado y una compresión en matriz o compresión isostática siguiente y porque a continuación los elementos estructurales (1) individuales se sueldan o sellan por la(s) área(s) de ensamblaje y/o se embidonan conjuntamente en una hoja metálica (2) y se ensamblan materialmente por compresión en caliente o por compresión isostática en caliente para formar el elemento compuesto (1).
Description
Procedimiento para el ensamblaje de un elemento
compuesto de material resistente a altas temperaturas.
La invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de un elemento compuesto de materiales resistentes a
altas temperaturas por ensamblaje y a elementos compuestos según el
preámbulo de las reivindicaciones 1, 14 y 17 (véase, por ejemplo,
el documento EP-A-1025938).
Los materiales no metálicos resistentes a altas
temperaturas son aquéllos que están basados en carbono o en
carburos de silicio, en particular también los materiales reforzados
con fibras de carbono como, por ejemplo, carbono reforzado con
fibras de carbono (CFC), pero también otros materiales cerámicos. A
temperaturas elevadas, estos materiales presentan unas resistencias
mecánicas mayores que los metales de alto punto de fusión y
especialmente, en comparación con éstos, una densidad bastante
menor. Por consiguiente, el campo de aplicación técnico de los
materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas lo
constituyen, por una parte, los elementos expuestos a movimientos
con una gran aceleración, por ejemplo en vehículos, especialmente
también en la aeronáutica y astronáutica, y por otra, el entorno de
una radiación térmica intensa, por ejemplo las paredes de protección
con función de intercambiador de calor, tales como la primera pared
de los reactores de fusión. Otras aplicaciones se encuentran en el
campo de los ánodos giratorios para instalaciones de rayos X o
también de los soportes para cargas en hornos de alta
temperatura.
Los elementos fabricados a partir de los
materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas según el
estado de la técnica y los procedimientos de fabricación aplicados a
éstos presentan, además de estas excelentes ventajas, una serie de
inconvenientes y problemas. Un problema fundamental reside en la
mala aptitud de estos materiales para el ensamblaje. En muchos
casos, los procedimientos de unión habituales, tales como la
soldadura, el atornillado o el remachado, no se pueden usar o, en
todo caso, con un alto riesgo de defectos. La soldadura de este
tipo de materiales es difícil o incluso imposible en parte por los
problemas de humectación, pero especialmente también por la
porosidad normalmente elevada de este tipo de materiales, puesto que
los materiales porosos absorben el material de soldadura de manera
insuficientemente controlable. La porosidad residual de este tipo
de materiales se opone, por ejemplo, tanto al uso como revestimiento
impermeable a gases de recipientes de vacío como al aprovechamiento
como sistema de tubos para gases y líquidos. La resistencia, con
frecuencia tan solo regular, de este tipo de materiales a la
corrosión y/o la oxidación limita muy considerablemente su campo de
aplicación. En muchos casos, los materiales poseen una estabilidad
insuficiente frente a la reacción con metales líquidos. Los
materiales compuestos de CFC y C-SiC reforzados con
fibras de carbono también se ablandan rápida y progresivamente al
aire por debajo de 1.000ºC por oxidación de las fibras.
Los materiales no metálicos resistentes a altas
temperaturas generalmente presentan a temperaturas elevadas una
mayor resistencia a la tracción y a la presión que los metales
refractarios termoestables. Sin embargo, son comparablemente
frágiles y, por lo tanto, fracasan cuando las solicitaciones a la
flexión y alternativas son mayores.
El experto se enfrenta a estos inconvenientes,
que afectan de distintas maneras a los diferentes materiales no
metálicos resistentes a altas temperaturas, con la configuración de
materiales compuestos y/o de elementos compuestos formados por
diversos materiales, dado el caso en combinación con materiales
metálicos o materiales metálicos resistentes a altas temperaturas
para compensar o reducir los inconvenientes de este grupo de
materiales no metálicos y aprovechar al mismo tiempo sus
propiedades ventajosas. La formación de elementos compuestos
presupone el ensamblaje activo de los diferentes componentes del
elemento. Los riesgos e inconvenientes ya mencionados que se
presentan al ensamblar los materiales no metálicos resistentes a
altas temperaturas en un elemento compuesto limitan
considerablemente la diversidad de aplicaciones que, de lo
contrario, sería concebible.
En el documento EP 0181385 B1, por ejemplo, se
describe un elemento compuesto. El dispositivo refrigerado
activamente, formado por un material muy solicitable térmicamente
tal como grafito, carburo o cerámica o un material compuesto
metalocerámico, posee en su sección transversal escotaduras redondas
en las que están soldados en toda la superficie conductos metálicos
para el refrigerante. En la sección transversal se sueldan
preferentemente tubos metálicos circulares en escotaduras
semicirculares dispuestas en la superficie de un elemento, y al
mismo tiempo se ensamblan varios elementos de este tipo para dar un
elemento compuesto soldado. Los tubos de refrigeración constan
normalmente de metales de alto punto de fusión con coeficientes de
dilatación térmica similares a los de los materiales muy
solicitables térmicamente. Este elemento compuesto de materiales
resistentes a altas temperaturas presenta el inconveniente de que
los tubos no se pueden soldar de forma suficientemente permanente
con el material muy solicitable térmicamente a lo largo de toda la
superficie del tubo, por lo que a largo plazo no se da la
transmisión térmica necesaria hacia el refrigerante a través de la
pared del tubo.
La solicitud de patente nº FR2785664 A1 describe
un intercambiador de calor formado por un material compuesto
resistente a altas temperaturas ensamblado, así como un
procedimiento para su fabricación. El elemento en forma de pared se
compone de capas de múltiples materiales diferentes. En una capa
intermedia, fabricada primero por separado, de un material
compuesto resistente a altas temperaturas, tal como grafito
reforzado con fibras de carbono, están configurados unos canales
para el refrigerante en forma de escotaduras superficiales. La capa
intermedia está rodeada por dos capas exteriores formadas, por una
parte, por un material compuesto basado en cerámica, por ejemplo
C/SiC-, y, por otra, por un material compuesto resistente a altas
temperaturas distinto del anterior, por ejemplo carbono reforzado
con carbono.
Opcionalmente, las escotaduras dispuestas en la
superficie de la capa intermedia se proveen, antes del ensamblaje
para formar el elemento compuesto, de una capa metálica depositada
sobre ésta. El revestimiento sirve para impermeabilizar la
superficie de los canales al medio refrigerante que fluye por ellos.
Sin esta capa, el refrigerante penetraría en la estructura,
habitualmente porosa, del material compuesto. Las tres capas del
elemento compuesto se sueldan entre sí, preferentemente
introduciendo una hoja de soldeo entre las superficies que se han de
ensamblar.
El inconveniente fundamental de un elemento
compuesto intercambiador de calor de este tipo reside en que la
soldadura de las capas o laminados individuales del elemento
compuesto no está controlada con la suficiente seguridad a lo largo
de las áreas de ensamblaje correspondientes. La soldadura no es
suficientemente homogénea y, por lo tanto, no es sostenible a largo
plazo. Durante el proceso de soldeo se producen una deformación
térmica del material y reacciones en masa fundida en las zonas
marginales de los materiales compuestos adyacentes a la capa de
soldadura que alteran desventajosamente las propiedades del
material.
El documento DE 3936991 C1 describe una
compactación por explosión para la fabricación de un material
compuesto metalocerámico. El objetivo es fabricar los materiales
compuestos correspondientes de forma rápida y relativamente
económica sin tener que preconectar costosos procedimientos previos
para la preparación de los componentes individuales.
Según la invención, se vierten materiales
cerámicos en polvo en las cavidades de una matriz metálica, por
ejemplo en tubos, los tubos agrupados se introducen en un bidón
metálico, dado el caso las cavidades entre los tubos agrupados se
rellenan adicionalmente con polvo metálico y el material compuesto
embidonado se compacta por explosión.
Según el planteamiento del objetivo, se trata de
un procedimiento rápido sin otra reivindicación de calidad que la
de crear un material compuesto. Con este procedimiento no se pueden
satisfacer los requisitos geométricos mínimos respecto a la forma
final del elemento que se exigen habitualmente de un elemento
compuesto estructurado.
El documento EP 1025938 A1 describe un
procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto muy
solicitable térmicamente. Se trata de un procedimiento dirigido al
ensamblaje de elementos estructurales de grafito con elementos
estructurales de cobre endurecible. Antes del ensamblaje, el
elemento estructural de grafito se provee, mediante un proceso HIP
(compresión isostática en caliente), de una capa de cobre en las
áreas de ensamblaje, habitualmente por rellenado según el documento
EP 0663670 A1. El paso de procedimiento de la aplicación de la
capa, especialmente por rellenado, es muy costoso. El procedimiento
no puede aplicarse sin problemas al ensamblaje de otros materiales
resistentes a altas temperaturas para obtener elementos muy
solicitables térmicamente.
El documento EP 0459865 A1 menciona un
procedimiento para proteger la superficie cerámica de un elemento
contra daños superficiales mecánicos, térmicos y químicos. Para
ello se aplica sobre la superficie cerámica mediante técnicas
conocidas, por ejemplo por aplicación de hojas a presión, una
primera capa y sobre ella una segunda capa metálica dúctil, y el
material compuesto así obtenido se expone a un tratamiento térmico
para crear una unión material entre las superficies límite. La
primera capa tiene por objeto adaptar los diferentes coeficientes
de dilatación térmica del metal y la cerámica. La segunda capa
cumple la función protectora mencionada. En el caso de este
procedimiento no se trata de ensamblar dos elementos estructurales
según la definición usual. Por consiguiente, no se exigen ni se
cumplen los requisitos respecto a una elevada resistencia mecánica a
altas temperaturas que se exigen, en comparación, para los
elementos estructurales ensamblados.
El objetivo de la presente invención es, por lo
tanto, evitar los inconvenientes de los elementos compuestos
ensamblados antes descritos que presentan al menos un elemento
estructural de un material no metálico resistente a altas
temperaturas. Para ello debe servir un procedimiento de fabricación
mejorado que garantiza una zona de ensamblaje duradera, fiable y a
ser posible material entre los diferentes elementos
estructurales.
El procedimiento mejorado también debe ampliar,
en particular, la diversidad de uso de este tipo de elementos
compuestos hacia aquellos campos en los que la elevada porosidad
residual, la moderada resistencia a la corrosión y la deficiente
solicitabilidad alternativa mecánica y térmica de los materiales no
metálicos resistentes a altas temperaturas han imposibilitado hasta
ahora el uso correspondiente.
En las reivindicaciones 1, 14 y 17 se definen un
procedimiento y elementos compuestos de acuerdo con la
invención.
Las reivindicaciones secundarias describen
configuraciones preferidas del procedimiento de acuerdo con la
invención.
Los materiales metálicos resistentes a altas
temperaturas son los metales de alto punto de fusión o metales
refractarios, en particular los metales de los subgrupos V y VI del
sistema periódico de los elementos, así como también otros metales
con un punto de fusión > 1.800ºC.
La expresión material resistente a altas
temperaturas abarca los grupos de materiales metálicos y no
metálicos expuestos al principio. No está limitada a éstos.
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La expresión elementos estructurales indica que
se trata de elementos y/o componentes conformados que en muchos
casos ya presentan las dimensiones teóricas y que opcionalmente
pueden llevar en su superficie escotaduras de formas complejas, por
ejemplo ranuras y escotaduras semimonocasco, para el uso posterior
como conductos de refrigerante en el elemento compuesto
ensamblado.
El proceso de embidonado es, al igual que la
compresión en matriz o la compresión isostática, un procedimiento
ampliamente usado y tecnológicamente perfeccionado sobre todo en la
pulvimetalurgia. Mediante el embidonado, los materiales se
encierran a prueba de vacío en una hoja metálica en forma de bidón,
de manera que durante la compresión siguiente no puede producirse
ningún intercambio de sustancias entre el contenido del bidón y el
medio circundante que transmite la presión. En la pulvimetalurgia,
los materiales se embidonan y después se comprimen, o se comprimen
en caliente para la síntesis de materiales a partir de diferentes
componentes en polvo o para la compactación posterior de materiales
porosos. También se conoce en la pulvimetalurgia el ensamblaje de
elementos compuestos de componentes comprimidos por separado
mediante compresión en caliente o compresión isostática en
caliente.
A diferencia del estado de la técnica, en el que
los elementos y/o los componentes o elementos estructurales que se
han de ensamblar se colocan cada uno por separado directamente
adyacentes y sin embidonarlos a lo largo de las áreas de
ensamblaje, se embidonan conjuntamente y después se ensamblan en un
único paso por compresión isostática o isostática en caliente con
la finalidad antes expuesta, en el procedimiento de acuerdo con la
invención el objetivo es la conformación con arrastre de forma o,
mejor, material de la hoja de embidonado adaptada a la superficie
de los elementos estructurales y a sus complejas escotaduras
superficiales - empezando por la elección del material de
embidonado y de su dimensionado hasta los parámetros del
procedimiento de la compresión isostática en caliente pasando por
el diseño del bidón. En el caso de la presente invención, el efecto
de compactación se aprovecha en todo caso como efecto secundario
ventajoso.
Al final de una primera etapa del procedimiento
de acuerdo con la invención se dispone así de un elemento
estructural de un material no metálico resistente a altas
temperaturas que está revestido con metal en su totalidad o, en el
caso de un virutaje selectivo y por zonas siguiente, al menos en las
áreas de ensamblaje previstas y que, en cuanto a su procesabilidad
posterior por ensamblaje, se comporta, por lo tanto, como un
elemento estructural metálico con el material de embidonado como
material del elemento.
Por lo tanto, los elementos estructurales
revestidos de acuerdo con la invención se pueden ensamblar igual
que los metales mediante procedimientos de ensamblaje conocidos y
probados de soldadura fuerte, soldadura directa, compresión en
caliente o compresión isostática en caliente. Ha resultado
especialmente adecuado el ensamblaje por compresión isostática en
caliente de elementos estructurales embidonados en hojas de metales
de alto punto de fusión.
Para el paso de procedimiento del ensamblaje del
elemento compuesto se dispone de este modo de un elemento
estructural con propiedades de un material no metálico resistente a
altas temperaturas que, sin embargo, ya no presenta los
inconvenientes de la falta de aptitud para el ensamblaje de los
materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas o los
presenta en mucha menor medida. Además, se pueden fabricar de forma
relativamente sencilla y con un coste relativamente bajo elementos
compuestos con cavidades y/o canales interiores recubiertos
densamente con metal.
El procedimiento de ensamblaje inventivo se
puede realizar de forma bien controlada desde el punto de vista de
la técnica de procesos. De este modo se puede lograr de forma muy
fiable y reproducible la combinación de propiedades deseada en cada
caso para el elemento.
Al contrario que el ensamblaje de elementos
estructurales de materiales no metálicos resistentes a altas
temperaturas por soldadura fuerte según el estado de la técnica, el
procedimiento de acuerdo con la invención proporciona una serie de
efectos y propiedades del material extremadamente ventajosos.
Así, en el procedimiento de acuerdo con la
invención queda prácticamente excluido un cambio de forma no deseado
por deformación del material gracias a la simetría material, dada
por igual en ambas etapas de procedimiento, del elemento compuesto
generado en cada caso.
Por otra parte, sin embargo, los materiales de
soldadura fundidos a altas temperaturas pueden desencadenar
reacciones químicas agresivas con los materiales adyacentes, un
proceso que ha de asumirse con frecuencia en la soldadura fuerte
según el estado de la técnica. En particular, la masa fundida de
soldadura puede disolver localmente zonas adyacentes del elemento
hasta el punto en que ya no queda garantizado el sellado del
elemento estructural frente a la penetración de masa fundida. Por
lo tanto, el ensamblaje de los elementos estructurales por
soldadura fuerte para formar los elementos compuestos de acuerdo con
la presente invención quedará restringido a los casos de aplicación
en los que la masa fundida de soldadura no cause estos
inconvenientes.
En la compresión isostática en caliente o la
compresión en caliente de acuerdo con la invención, las temperaturas
se encuentran entre 0,3 y 0,6 x T_{f}, típicamente en un 40% de
la temperatura de fusión T_{f} del componente metálico de menor
punto de fusión adyacente al área de unión. Por el contrario, en la
soldadura fuerte según el estado de la técnica, las temperaturas de
fusión del material de soldadura son, por motivos de resistencia,
claramente superiores a la temperatura de uso máxima de un elemento
estructural. Por esta razón, el procedimiento inventivo presenta
importantes ventajas frente al procedimiento según el estado de la
técnica respecto a la solicitabilidad mecánica del elemento
compuesto, las tensiones del elemento compuesto y la deformación del
material, así como respecto a las reacciones secundarias químicas
no deseadas.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La compresión en caliente o la compresión
isostática en caliente de la hoja de embidonado de acuerdo con la
presente invención permite aplicar recubrimientos metálicos a prueba
de vacío, materiales y adaptados al contorno, con un grosor
relativamente uniforme. Por el contrario, en el revestimiento
metálico en fase gaseosa por deposición física de vapor (PVD) o
deposición química de vapor (CVD) de las superficies que se han de
ensamblar a continuación, con escotaduras superficiales según el
estado de la técnica que en estado ensamblado sirven de canales para
el paso de líquidos refrigerantes, no se pueden formar en la
práctica capas metálicas impermeables a gases y/o de grosor
uniforme en las zonas de las escotaduras.
Para los elementos compuestos de acuerdo con la
invención (véanse las reivindicaciones 14 y 17), por ejemplo
elementos compuestos refrigerados activamente que se usan en el
intervalo de T < 900ºC, han resultado especialmente adecuadas
como material de embidonado las aleaciones de cobre, aunque también
se han usado con éxito níquel, aluminio, metales nobles e incluso
aleaciones de hierro.
Por los elevados puntos de fusión o de
descomposición de los materiales no metálicos resistentes a altas
temperaturas, se recomiendan los metales de alto punto de fusión,
en particular wolframio, molibdeno, tántalo, niobio, titanio y sus
aleaciones, como materiales de embidonado para aplicaciones a
temperaturas de uso superiores a 1.000ºC.
El grosor de pared del revestimiento metálico
aplicado como bidón se encuentra de acuerdo con la invención entre
10 y 2.000 \mum. Se rige por las dimensiones de las estructuras
superficiales que se han de reproducir, por las solicitaciones
mecánicas y/o corrosivas del elemento estructural y por las
propiedades mecánicas, termomecánicas y
químico-corrosivas del material de embidonado. En
general, el grosor de la chapa de embidonado se mantiene lo más
reducido posible, preferentemente entre 10 y 500 \mum.
Por otra parte, el grosor de pared de la hoja de
embidonado debe elegirse tan elevado que incluso cuando las
extensiones locales superan el 100%, como las que pueden aparecer en
condiciones de conformación superplásticas, éste no sea inferior al
mínimo necesario, por ejemplo por motivos de impermeabilidad a gases
o de estabilidad mecánica.
El riesgo de que el material de embidonado sufra
hiperextensiones locales puede evitarse ventajosamente adaptando el
diseño, por ejemplo redondeando los bordes.
Los revestimientos interiores metálicos más
gruesos conducen a una solicitabilidad mecánica relativamente mayor
del elemento compuesto, por ejemplo frente a la presión interna del
medio refrigerante.
La aplicación de acuerdo con la invención de un
material de embidonado sobre las escotaduras superficiales de un
elemento estructural que sirven posteriormente de canales de
refrigeración es, pues, un procedimiento bastante más flexible y
económico que, por ejemplo, la soldadura de tubos metálicos en el
interior de un elemento compuesto de un material no metálico
resistente a altas temperaturas según el estado de la técnica
conocido.
Por su ductilidad bastante mayor, el
revestimiento metálico de los elementos estructurales sobre las
áreas de ensamblaje y/o sobre todo el elemento compuesto en general
aumentará notablemente la resistencia de todo el elemento
compuesto, especialmente frente a solicitaciones al choque, cargas
cíclicamente alternantes o solicitaciones a la flexión. Esta
ventaja es especialmente importante en las realizaciones en las que
los elementos compuestos constan exclusivamente de materiales no
metálicos resistentes a altas temperaturas y no poseen capas de
refuerzo
metálicas.
metálicas.
La conformación de la hoja de embidonado sobre
la superficie del elemento estructural se lleva a cabo de acuerdo
con la invención mediante compresión o compresión en caliente. La
temperatura que ha de ajustarse depende del procedimiento y se rige
por la plasticidad del material de embidonado. Siempre que sea
razonable técnicamente, las temperaturas deben elegirse, en
combinación con los tiempos de compresión, de tal manera que además
de la unión de las hojas al material de base marcando el contorno
también quede garantizada la unión material en caso de difusión
recíproca. En general es suficiente una zona de difusión de 0,1 a 10
\mum. La conformación del bidón sobre el elemento estructural se
lleva a cabo preferentemente a temperaturas homólogas del material
de embidonado comprendidas en el intervalo de T =
0,3-0,6 x T_{f} como punto de fusión del material
de embidonado.
El inconveniente observado con frecuencia en los
elementos según el estado de la técnica, consistente en la falta de
unión material en zonas de las áreas de ensamblaje, por ejemplo como
consecuencia de la presencia de superficies no humedecidas con
material de soldadura, así como la temida separación inadvertida de
zonas superficiales, aunque sólo sean aisladas, especialmente
durante el enfriamiento de un elemento compuesto que sirve de
intercambiador de calor, prácticamente puede excluirse en el caso
del ensamblaje de acuerdo con la invención.
Mediante la aplicación de presión externa sobre
los elementos estructurales durante el revestimiento, así como
sobre el elemento compuesto durante el ensamblaje de acuerdo con la
invención, se logra, dependiendo de las condiciones del proceso
(presión, temperatura, duración) y según el caso, una compactación
notable de los materiales no metálicos, habitualmente porosos,
resistentes a altas temperaturas, de modo que se consiguen mejorar
tanto las propiedades mecánicas como la impermeabilidad frente a la
penetración no deseada de medios gaseosos circundantes. Deben
tomarse medidas preventivas para compensar la disminución
concomitante de las dimensiones exteriores del elemento.
Los materiales no metálicos presentan con
frecuencia rugosidades superficiales, tales como macroporos y
estrías de procesamiento de diferentes tamaños y profundidades.
Estas se cubren, en la medida de lo posible, con el material de
embidonado y no se marca su contorno. De forma correspondiente, el
grosor de la hoja deberá elegirse mayor que las dimensiones de
estas rugosidades superficiales. La superficie así obtenida del
componente revestido es entonces bastante más lisa que la del
material de partida que se ha de ensamblar, lo que generalmente
aumenta la calidad de la unión en el paso de ensamblaje siguiente
para formar el elemento compuesto.
En la realización del procedimiento inventivo
también pueden aparecer, además de la formación de aleaciones,
reacciones químicas perturbadoras entre el material resistente a
altas temperaturas del elemento estructural y el material de
embidonado. Así, por ejemplo, pueden generarse compuestos frágiles,
tales como carburos o siliciuros de bajo punto de fusión. En estos
casos, la cara interior de la hoja metálica se recubre, antes del
embidonado, con una fina capa inhibidora de reacciones, por ejemplo
mediante un proceso en fase gaseosa. En el revestimiento de
materiales resistentes a altas temperaturas que contienen grafito y
carbono ha resultado especialmente adecuado el recubrimiento
interior con renio, un metal conocido por no formar carburos. Otra
razón importante para recubrir en algunos casos las hojas metálicas
antes del proceso de embidonado reside en la protección
anticorrosiva frente a los medios refrigerantes en el caso de que
los elementos compuestos se fabriquen como elementos refrigerados
activamente con conductos de refrigeración.
Una ventaja especial del procedimiento inventivo
reside en la posibilidad de fabricar elementos compuestos con
escotaduras estructurales de formas complejas en las áreas de
ensamblaje de los elementos estructurales individuales, por ejemplo
una red de canales de refrigeración. La conformación superficial y
el ensamblaje siguiente de, en especial, escotaduras superficiales
fabricadas en dos piezas especulares permite realizar secciones
transversales y disposiciones complejas de estas estructuras
interiores y ahorrar los elevados costes de fabricación que se
generarían en los procedimientos alternativos con la configuración
de sistemas de cavidades correspondientes en el cuerpo macizo.
Según una configuración ventajosa del
procedimiento de acuerdo con la invención, entre la chapa de
embidonado y el material no metálico resistente a altas
temperaturas de un elemento estructural se añade un material
adicional prácticamente insoluble en el material de embidonado, con
un punto de fusión más bajo que el del material de embidonado, por
ejemplo en forma de chapa o en polvo. Especialmente en los
materiales resistentes a altas temperaturas que son muy porosos y
están basados en carbono, como, por ejemplo, CFC con, generalmente,
una porosidad residual del 10 al 20% en volumen, se añade cobre en
polvo o en forma de hoja de chapa a un bidón de una aleación de
niobio en una cantidad adaptada al volumen de los poros. Durante la
compresión isostática en caliente siguiente, la temperatura se
ajusta entre 1.100ºC y 1.300ºC, de manera que el cobre en polvo se
funde y penetra en los poros del material resistente a altas
temperaturas. Mediante un procedimiento de este tipo se pueden
modificar selectivamente, y simultáneamente con el paso de unión,
las propiedades de los materiales porosos resistentes a altas
temperaturas.
Después de la compresión en matriz o la
compresión isostática del elemento compuesto, el material de
embidonado metálico se puede desgastar mecánicamente, por ejemplo
por arranque de virutas, de la superficie de éste hasta el material
subyacente. No obstante, en algunos casos permanecerá en ciertas
zonas o en todo el elemento compuesto, sobre todo cuando el
material resistente a altas temperaturas mismo presenta poca
estabilidad mecánica, por ejemplo una baja tenacidad a la
rotura.
El procedimiento inventivo se describe con más
detalle mediante los siguientes ejemplos de realización.
Se describe la fabricación de un elemento de
pared de carburo de silicio reforzado con fibras de carbono con
canales de refrigeración interiores previsto para la refrigeración
activa. Dos elementos estructurales con las dimensiones 250 x 140 x
10 mm se embidonaron a prueba de vacío con hojas de Ta de 0,25 mm de
grosor y se comprimieron isostáticamente en caliente durante 1 a 2
horas a temperaturas de 1.100ºC a 1.400ºC y a una presión de 50 a
100 x 10^{6} Pa con argón como medio compresor. Después de este
paso, las hojas estaban conformadas de forma que marcaban fielmente
el contorno de las escotaduras presentes en el material de base.
Las pruebas de rectificado en muestras comparativas confirmaron la
unión material entre el Ta y el carburo de silicio por la formación
de una fina capa intermedia de siliciuros de tántalo. Los salientes
circunferenciales del revestimiento de Ta de ambos elementos
estructurales usados para soldar los bidones se tronzaron y, junto
con barras cortas de Ta macizo, se soldaron al vacío para cubrir las
ranuras en las superficies de los elementos. Los elementos
estructurales revestidos correspondientemente y fijados
mecánicamente en sus posiciones relativas se comprimieron en
caliente con los mismos parámetros de procedimiento que antes y se
unieron entre sí de forma material. Taladrando las barras colocadas
en las ranuras y después del tratamiento circunferencial final se
obtuvo el elemento compuesto acabado de carburo de silicio reforzado
con fibras de carbono con canales de refrigeración interiores.
La figura 1a muestra esquemáticamente una
sección transversal de un elemento estructural (1) (no metálico)
con ranuras longitudinales (4) que está dispuesto en un bidón
metálico formado por una hoja de chapa (2) y soldado por los bordes
a lo largo de un cordón de soldadura (5) según un proceso de
evacuación.
La figura 1b muestra esquemáticamente una
sección transversal de dos elementos estructurales (no metálicos)
embidonados superpuestos, con la chapa de embidonado conformada de
forma material y adaptada al contorno por la acción externa de
presión y temperatura.
La figura 1c muestra el elemento compuesto
ensamblado de acuerdo con la invención tras volver a embidonar
ambos elementos estructurales revestidos y ensamblarlos por la
acción de presión y temperatura según la descripción. Mediante el
ensamblaje se generan canales cerrados (6) a partir de las
escotaduras superficiales presentes en un elemento estructural.
Tanto los componentes individuales como el
elemento de refrigeración ensamblado presentan una planicidad
superior a 0,2 mm a lo largo de una longitud útil de 250 mm. Los
canales presentan una sección transversal uniforme sin
estrechamientos y son altamente estancos al vacío. El elemento
compuesto soportó sin daños la presión de ensayo exigida de 80 bar
en los canales. La resistencia a la flexión a temperatura ambiente
medida en una muestra comparativa revestida era un 35% mayor que la
de una muestra de referencia con la misma sección transversal total
formada por un material de base no revestido.
Se describe la fabricación de un tubo de carbono
reforzado con fibras de carbono (CFC) con canales para el paso de
un agente refrigerante para la refrigeración activa.
El tubo se elabora a partir de dos elementos
estructurales, un tubo interior con un diámetro interior de 193 mm
y un diámetro exterior de 203,5 mm y un tubo exterior con un
diámetro interior de 207 mm y un diámetro exterior de 218 mm. La
longitud de cada tubo ascendió a 400 mm. En la superficie exterior
de la pieza interior estaba fresada una ranura helicoidal
semicilíndrica con un radio de 3 mm como canal de refrigeración
posterior. La ranura terminaba a aproximadamente 5 mm del extremo
del tubo, de manera que se conserva allí la sección transversal
cilíndrica. La pieza interior y la pieza exterior se embidonaron
mediante chapas de niobio con un grosor de 1,0 mm. Antes del
embidonado, la chapa de niobio se recubrió por una cara con una capa
de renio de 20 \mum de grosor mediante sedimentación iónica. La
superficie recubierta de la chapa estaba orientada hacia el CFC
durante el embidonado.
A continuación, cada una de las piezas se
comprimió isostáticamente en caliente a 1.350ºC y una presión
de
70 x 10^{6} Pa durante un periodo de tiempo de 4 horas. Las chapas de niobio se conformaron adaptándose al contorno de las superficies de los tubos y se unieron a éstas inseparablemente. Después se mecanizaron con arranque de virutas el perímetro exterior del tubo interior y el perímetro interior del tubo exterior para ajustar un huelgo diametral de aproximadamente 0,25 mm. Igualmente se cortaron los bordes sobresalientes del bidón. Después, las dos piezas tubulares se encajaron una en otra y los extremos de los tubos se soldaron, mediante una hoja de niobio, con la hoja de niobio que cubría el tubo siguiendo el contorno. Finalmente, el tubo doble montado de esta manera se comprimió isostáticamente en caliente a 1.350ºC y 100 x 10^{6} Pa y se ensambló de forma material. Por último, se repasó por rectificado el perímetro exterior del tubo compuesto así producido. El grosor final de la pared del revestimiento de niobio ascendió a aproximadamente 0,5 mm. Los dos extremos del tubo se refrentaron conservando el grosor del saliente de niobio y se taladró la ranura helicoidal en cada una de las caras frontales.
70 x 10^{6} Pa durante un periodo de tiempo de 4 horas. Las chapas de niobio se conformaron adaptándose al contorno de las superficies de los tubos y se unieron a éstas inseparablemente. Después se mecanizaron con arranque de virutas el perímetro exterior del tubo interior y el perímetro interior del tubo exterior para ajustar un huelgo diametral de aproximadamente 0,25 mm. Igualmente se cortaron los bordes sobresalientes del bidón. Después, las dos piezas tubulares se encajaron una en otra y los extremos de los tubos se soldaron, mediante una hoja de niobio, con la hoja de niobio que cubría el tubo siguiendo el contorno. Finalmente, el tubo doble montado de esta manera se comprimió isostáticamente en caliente a 1.350ºC y 100 x 10^{6} Pa y se ensambló de forma material. Por último, se repasó por rectificado el perímetro exterior del tubo compuesto así producido. El grosor final de la pared del revestimiento de niobio ascendió a aproximadamente 0,5 mm. Los dos extremos del tubo se refrentaron conservando el grosor del saliente de niobio y se taladró la ranura helicoidal en cada una de las caras frontales.
El análisis de sección micrográfica del material
compuesto así obtenido demostró en el grosor de pared canales de
refrigeración revestidos con niobio uniformemente y marcando
fielmente el contorno. La superficie de separación original entre
las piezas interior y exterior había desaparecido por completo
después de la difusión de material durante la compresión isostática
en caliente y el crecimiento de granos simultáneo. En el ensayo de
fuga, los canales de refrigeración resultaron altamente estancos al
vacío. La solicitabilidad mecánica del elemento compuesto así
fabricado estaba li-
mitada por la resistencia del CFC a la tracción y al cizallamiento, pero no por la resistencia del área de ensamblaje.
mitada por la resistencia del CFC a la tracción y al cizallamiento, pero no por la resistencia del área de ensamblaje.
Se describe la fabricación de un ánodo giratorio
de rayos X con CFC aplicado sobre la cara posterior.
Un disco cilíndrico de CFC (carbono reforzado
con fibras de carbono) con un diámetro de 150 mm y un grosor de 50
mm se soldó a prueba de vacío en un bidón de chapa de Nb en forma de
tarro con un grosor de 1,0 mm. Por su cara de CFC, la chapa de
embidonado estaba recubierta con una capa de Re de 20 \mum de
grosor. En un lado del disco de CFC estaba soldada, centrada
respecto al eje de giro del disco, una ondulación en forma de una
barra cilíndrica de Ta10W colocada en el fondo del tarro como parte
del bidón. El elemento así embidonado se evacuó y a continuación se
comprimió isostáticamente en caliente durante 4 a 6 horas a una
temperatura de 1.500ºC a 1.800ºC y una presión de 100 a 200 x
10^{6} Pa. Durante este proceso, la chapa de embidonado y la
ondulación de Ta10W se ensamblaron materialmente con el elemento de
CFC. El elemento de CFC así obtenido, revestido por todos los lados
con Nb, se soldó al vacío, aprovechando un saliente del bidón en
forma de cuello, con una chapa redonda colocada sobre la pieza y
formada por la aleación de molibdeno TZM junto con una cubierta
para el recorrido focal de W10Re y se comprimió isostáticamente en
caliente durante 4 horas a 1.400ºC y una presión de 80 x 10^{6}
Pa. Por último, el ánodo giratorio de rayos X
se terminó por destalonado lateral del recorrido focal y torneado de los contornos de las demás superficies exteriores.
se terminó por destalonado lateral del recorrido focal y torneado de los contornos de las demás superficies exteriores.
En comparación con los elementos compuestos de
TZM y CFC fabricados por soldadura, el procedimiento de acuerdo con
la invención se caracteriza por una alta reproducibilidad y unas
resistencias bastante más elevadas del elemento compuesto. En el
ensayo de embalamiento, el ánodo giratorio fabricado de acuerdo con
la invención presentaba un índice de reventamiento claramente mayor
que el ánodo comparativo. Este resultado sorprendente se debe a las
tensiones de presión ejercidas por el bidón de Nb sobre la pieza de
CFC, así como a la mayor resistencia del elemento compuesto.
Claims (17)
1. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto por ensamblaje de al menos un elemento
estructural no metálico (1) con uno o varios elementos
estructurales metálicos (2) o no metálicos (1) formados por
materiales resistentes a altas temperaturas, con o sin escotaduras
superficiales integradas en ellos y con la incorporación, al menos
en la(s) área(s) de ensamblaje, de una capa intermedia
metálica (2) aplicada materialmente sobre el elemento estructural
no metálico (1), caracterizado porque sobre la superficie de
al menos un elemento estructural (1) de un material no metálico
resistente a altas temperaturas, que incluye las áreas de las
escotaduras (4) dispuestas en su superficie, se aplica, marcando el
contorno, una hoja metálica (2) de 10 a 2.000 \mum de grosor
mediante un proceso de embidonado y una compresión en matriz o
compresión isostática siguiente y porque a continuación los
elementos estructurales (1) individuales se sueldan o sellan por
la(s) área(s) de ensamblaje y/o se embidonan
conjuntamente en una hoja metálica (2) y se ensamblan materialmente
por compresión en caliente o por compresión isostática en caliente
para formar el elemento compuesto (1).
2. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según la reivindicación 1, caracterizado
porque como material para al menos un elemento estructural no
metálico (1) se usa carbono reforzado con fibras de carbono y/o
grafito y/o carburo de silicio reforzado con fibras.
3. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado porque como material para al menos un elemento
estructural no metálico (1) se usan carburos, nitruros y/o cerámica
oxidada.
4. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque como material de embidonado se usa una
hoja metálica (2) de 10 a 500 \mum de grosor formada por un metal
de alto punto de fusión.
5. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según la reivindicación 4, caracterizado
porque como material de embidonado se usa una hoja de Ta, Nb o de
una aleación básica de Ta y/o Nb.
6. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque se ensamblan materialmente dos
elementos estructurales (1) con escotaduras superficiales simétricas
especulares embidonados y unidos materialmente con la hoja metálica
(2).
7. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque como hoja metálica (2) se usa una hoja
de tántalo o wolframio recubierta por una cara con renio mediante
procedimientos de CVD o PVD.
8. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque como revestimiento de los elementos
estructurales (1) se usan hojas metálicas (2) con un grosor de 50
\mum a 200 \mum.
9. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque la compresión en matriz se realiza en
forma de compresión en caliente y la compresión isostática en forma
de compresión isostática en caliente.
10. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según la reivindicación 8, caracterizado
porque en el elemento estructural individual (1) se realiza una
unión material entre el elemento estructural (1) y la hoja de
embidonado (2) mediante la compresión en caliente o la compresión
isostática en caliente.
11. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 10,
caracterizado porque antes del embidonado se aplica sobre al
menos un elemento estructural (1), al menos sobre partes de su
superficie, una capa metálica cerrada por deposición en fase
gaseosa.
12. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 11,
caracterizado porque un elemento estructural no metálico (1)
se embidona y ensambla adicionalmente con al menos un elemento
estructural metálico en una hoja metálica común.
13. Procedimiento para la fabricación de un
elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 12,
caracterizado porque después del ensamblaje, el material de
embidonado se elimina mecánicamente por completo o en parte y/o por
zonas de la superficie exterior del elemento compuesto (1).
14. Elemento compuesto fabricado según el
procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, formado
por varios elementos estructurales (1) de materiales metálicos y/o
no metálicos resistentes a altas temperaturas, caracterizado
porque es un elemento de un grupo motor para aviones o misiles y
presenta al menos un elemento estructural no metálico (1) sobre el
que se ha aplicado, marcando el contorno, una hoja metálica (2)
impermeable a gases con un grosor de 10 a 2.000 \mum mediante un
proceso de embidonado y una compresión en matriz o compresión
isostática siguiente y en el que estos varios elementos
estructurales (1) están unidos a través de una zona de unión
dispuesta entre esta hoja metálica (2) y uno de estos elementos
estructurales (1) mediante soldadura, sellado o compresión
isostática en caliente.
15. Elemento compuesto según la reivindicación
14, caracterizado porque las escotaduras (4) dispuestas en
la superficie de un elemento estructural (1) están configuradas en
el elemento compuesto en forma de cavidades (6).
16. Elemento compuesto según la reivindicación
15, caracterizado porque las cavidades (6) están conformadas
en forma de canales para medios de refrigeración que fluyen por
ellos.
17. Elemento compuesto fabricado según el
procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, formado
por varios elementos estructurales (1) de materiales metálicos y/o
no metálicos resistentes a altas temperaturas, caracterizado
porque es un ánodo giratorio de rayos X formado por al menos un
elemento estructural de un material basado en carbono y por al
menos otro elemento estructural adicional de metal refractario y
porque sobre al menos un elemento estructural no metálico (1) se ha
aplicado, marcando el contorno, una hoja metálica (2) impermeable a
gases con un grosor de 10 a 2.000 \mum mediante un proceso de
embidonado y una compresión en matriz o compresión isostática
siguiente y en el que estos varios elementos estructurales (1) están
unidos a través de una zona de unión dispuesta entre esta hoja
metálica (2) y uno de estos elementos estructurales (1) mediante
soldadura, sellado o compresión isostática en caliente.
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