ES2916273T3

ES2916273T3 - Método de fabricación de material compuesto y material compuesto

Info

Publication number: ES2916273T3
Application number: ES17796056T
Authority: ES
Inventors: Makoto Ogata; Shuho Koseki; Tadashi Furuya
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2017-05-01
Publication date: 2022-06-29
Anticipated expiration: 2037-05-01
Also published as: CN109153079A; US20190111520A1; WO2017195695A1; JP6933206B2; JPWO2017195695A1; CN109153079B; US11786967B2; EP3456440B1; EP3456440A1; EP3456440A4; SG11201809957WA

Abstract

Un método de fabricación de material compuesto que comprende: una etapa de fabricación aditiva consistente en utilizar un polvo compuesto que contiene cerámica y metal y que tiene huecos en el mismo para formar un material compuesto que contiene la cerámica y el metal repitiendo etapas de fusión y solidificación del polvo compuesto, seleccionándose la cerámica entre carburo, nitruro, carbonitruro, óxido o boruro de al menos uno de W, Cr, Mo, V, Zr, Al, Si, Nb, Ta o Ti, y siendo el metal al menos un elemento seleccionado entre Co, Ni, Fe, W o Mo; una etapa de refundición consistente en refundir una superficie del material compuesto; y una etapa de tratamiento térmico consistente en aplicar un tratamiento térmico en un intervalo de temperatura de 800 a 1400 ºC después de la etapa de refundición.

Description

DESCRIPCIÓN

Método de fabricación de material compuesto y material compuesto

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método de fabricación de material compuesto y a un material compuesto.

Antecedentes de la técnica

Por regla general, como material para matrices de forja en tibio/caliente se utiliza acero para herramientas. En los últimos años, para aumentar la demanda de conformabilidad próxima a la forma final, se ha requerido que los materiales para matrices proporcionen una mayor resistencia y ductilidad que los del pasado y, por lo tanto, el acero para herramientas convencional se ha mejorado para utilizarlo como dicho material. Por ejemplo, se ha permitido que el acero SKD 61, que contiene hierro (Fe) como componente principal, tenga una mayor resistencia provocando la aparición de una fase martensítica y precipitantes durante el tratamiento térmico para el temple y el revenido. De este modo, el acero para herramientas se ha mejorado actualmente para que tenga mayor resistencia y ductilidad que las del acero para herramientas convencional a través de mejoras en los elementos añadidos al mismo y el proceso de tratamiento térmico.

Sin embargo, con el fin de mejorar la productividad y al mismo tiempo mejorar la conformabilidad próxima a la forma final, se requiere que la forja se realice a una temperatura de proceso de alrededor de 1000 °C, lo que resulta problemático porque el acero para herramientas que contiene Fe como componente principal se ablandaría a una temperatura superior o igual a 800 °C y, por lo tanto, no se puede obtener una vida útil suficiente de la matriz.

Mientras tanto, como una aleación con mayor resistencia que la del acero para herramientas a una temperatura alta de 800 °C o más, por ejemplo, se conoce una aleación compuesta caracterizada por carburo cementado que tiene dos fases que incluyen WC como partículas cerámicas y Co como metal para unir estas partículas, que es muy utilizada para herramientas de corte, en particular (Bibliografía de Patentes 1).

Sin embargo, una aleación compuesta como el carburo cementado tiene una ductilidad menor que la del acero para herramientas y, por lo tanto, es difícil aplicarla a las matrices. Además, con vistas a un proceso de sinterización muy utilizado en el carburo cementado para herramientas de corte, se considera que la cantidad de áreas de la matriz que deberían cortarse en un proceso posterior sería grande debido a la deformación térmica de la matriz que se produce durante la sinterización. Por esta razón se considera que las aleaciones compuestas son difíciles de aplicar a matrices desde la perspectiva del proceso.

En la presente memoria se sabe que con un método de fabricación aditiva para formar una pieza fabricada de modo aditivo con una forma tridimensional mediante la fusión y solidificación local de polvo utilizando una fuente de calor y formando así repetidamente capas solidificadas de manera apilada como en la Bibliografía de Patentes 2, es posible conformar una estructura en cualquier forma dada sin que se genere una gran deformación en la misma.

Lista de citas

Bibliografía de Patentes

Bibliografía de Patentes 1: JP S62-260027 A

Bibliografía de Patentes 2: JP 2003-245981 A

En el documento WP 201/031279 A1 se describe un material compuesto que está basado en un polvo compuesto y que tiene una porosidad baja. En E. Yasa et al., "Manufacturing by combining Selective Laser Melting and Selective Laser erosion/Laser re-melting", CIRP Annals — Manufacturing Technology, Vol. 60, N° 1, páginas 263-266 se estudian procedimientos de fusión y refundición de materiales por láser.

Compendio de la Invención

Problema técnico

El polvo compuesto que contiene cerámica y metal tiene resistencia a altas temperaturas y, por lo tanto, se considera adecuado como material para una matriz de forja en tibio/caliente formada utilizando la fabricación aditiva arriba mencionada. Sin embargo, existe el problema de que dicho polvo compuesto inevitablemente tendrá huecos generados dentro y fuera del polvo durante un proceso de granulación, y dichos huecos en el polvo pueden convertirse en la causa de huecos generados en el material compuesto resultante fabricado de forma aditiva, lo que a su vez puede causar una disminución de la resistencia del material compuesto.

Por lo tanto, un objeto de la presente invención consiste en proporcionar un método para fabricar un material compuesto con resistencia a altas temperaturas y el material compuesto, en donde, incluso cuando la fabricación aditiva se realice utilizando polvo compuesto que contiene cerámica y metal y que tiene huecos dentro del mismo, el material compuesto resultante tenga pocos huecos dentro del mismo.

Solución al problema

La presente invención está definida en las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes se exponen otras características ventajosas.

Efectos ventajosos de la Invención

De acuerdo con la presente invención se puede proporcionar un material compuesto que contiene cerámica y metal y que tiene pocos huecos dentro del mismo y, por lo tanto, que tiene resistencia a altas temperaturas, habiendo sido formado el material compuesto mediante el uso de polvo compuesto que contiene cerámica y metal y que tiene huecos dentro del mismo, y mediante la realización repetida de etapas de fusión y solidificación en el mismo.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una fotografía que muestra el aspecto del polvo compuesto de acuerdo con la presente invención.

La Figura 2 es una fotografía que muestra la estructura de la sección transversal del polvo compuesto de acuerdo con la presente invención.

La Figura 3 es una fotografía que muestra la estructura de la sección transversal de un material compuesto formado mediante la realización de una fabricación aditiva en el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención utilizando una fuente de calor por láser.

La Figura 4 es una fotografía que muestra la estructura de la sección transversal del material compuesto de la Figura 3 que ha sido sometido a un tratamiento térmico a 1300 °C.

La Figura 5 es un diagrama de proceso que muestra un ejemplo de un método para fabricar una pieza utilizando el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención.

La Figura 6(a) es una fotografía de la sección transversal de un material compuesto de un Ejemplo Comparativo que no ha sido sometido a refundición, y la Figura 6(b) es una fotografía ampliada de un área A de la vista en sección transversal de la Figura 6(a).

La Figura 7(a) es una fotografía de la sección transversal del material compuesto de la presente invención que sido sometido a refundición, y la Figura 7(b) es una fotografía ampliada de un área B de la vista en sección transversal de la Figura 7(a).

La Figura 8 es una fotografía de la estructura de la sección transversal del material compuesto de la presente invención que ha sido sometido a un tratamiento térmico a 800 °C después de una etapa de refundición. La Figura 9 es una fotografía de la estructura de la sección transversal del material compuesto de la presente invención que ha sido sometido a un tratamiento térmico a 1200 °C después de una etapa de refundición. La Figura 10 es una fotografía de la estructura de la sección transversal del material compuesto de la presente invención que ha sido sometido un tratamiento térmico a 1300 °C después de una etapa de refundición. La Figura 11 muestra los resultados de la realización de una medición de difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés) en el material compuesto de la presente invención.

Descripción de realizaciones

A continuación se describirán específicamente realizaciones de la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos. Se ha de señalar que la presente invención no se limita a las realizaciones descritas más abajo.

La Figura 5 muestra un ejemplo de un método para fabricar un material compuesto de la presente invención. En el método de fabricación de la presente invención se prepara un polvo compuesto (S21) y se realiza una fabricación aditiva fundiendo y solidificando el polvo compuesto (S22), y luego se funde de nuevo la superficie del material compuesto obtenido (S23), con lo que se fabrica un material compuesto. En el método de fabricación de la presente invención, para mejorar aún más la resistencia y la precisión de la forma, se lleva a cabo un tratamiento térmico en el material compuesto después de la etapa de refundición (S24), y se puede realizar un trabajo de corte en el material compuesto (S25). En adelante, el “material compuesto” anteriormente mencionado también se designará como “pieza fabricada de forma aditiva”.

En primer lugar se describirá el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención. La Figura 1 es una fotografía SEM que muestra el aspecto del polvo compuesto de acuerdo con la presente invención. La Figura 2 es una fotografía SEM que muestra un ejemplo de la estructura de sección transversal del polvo compuesto de acuerdo con la presente invención. El polvo compuesto de acuerdo con la presente invención es un polvo compuesto que contiene cerámica y metal. La relación en volumen entre cerámica y metal puede ser, por ejemplo, de un 40 a un 90% en volumen de cerámica y de un 10 a un 60% en volumen de metal (el volumen total de cerámica y metal es igual al 100%). Se ha de señalar que para obtener un polvo con mayor rigidez y mayor ductilidad, el límite superior del volumen de cerámica en el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención se establece preferiblemente en un 70%, y el límite inferior del volumen de metal en el mismo se establece preferiblemente en un 30%. La relación en volumen entre cerámica y metal se puede medir usando el siguiente método, por ejemplo. En primer lugar, la composición de cerámica y metal que forma el polvo compuesto se identifica utilizando una espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS, por sus siglas en inglés), comúnmente equipada con un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés), y utilizando otro método de análisis de composición. Después se preparan y mezclan polvo de cerámica y polvo de metal cuya composición se ha identificado, cambiando su relación en volumen (por ejemplo, en incrementos/decrementos de un 10%) con el fin de formar una pluralidad de tipos de polvo compuesto para muestras de referencia, y a continuación se obtienen los resultados de la difracción de rayos X de polvo realizada sobre las mismas. A partir de los resultados de la difracción de rayos X obtenidos de cada polvo, se determina y representa el valor total de los valores máximos de los picos de las tres líneas más fuertes para crear una curva de calibración. El uso de la curva de calibración puede determinar una relación en volumen desconocida. Además, la relación de mezcla del polvo de cerámica y el polvo de metal en la formación del polvo compuesto se establece preferiblemente en la relación en volumen anteriormente mencionada.

La cerámica contenida en el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención se selecciona preferiblemente entre carburo, nitruro, carbonitruro, óxido o boruro de al menos uno de W (tungsteno), Cr (cromo), Mo (molibdeno), V (vanadio), Zr (circonio), Al (aluminio), Si (silicio), Nb (niobio), Ta (tantalio) o Ti (titanio).

Además, el metal contenido en el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención consiste preferiblemente en al menos un elemento seleccionado entre Co (cobalto), Ni (níquel), Fe (hierro), W (tungsteno) o Mo (molibdeno). Se ha de señalar que en esta realización se selecciona un polvo compuesto de WC-Co en el que se usa carburo de tungsteno (WC) como cerámica y se usa cobalto (Co) como metal a menos que se describa específicamente algo distinto.

El polvo compuesto de acuerdo con la presente invención tiene huecos 95 (algunos de los cuales están expuestos en la superficie exterior) tal como se muestra en la Figura 2. Dichos huecos 95 se generan casi inevitablemente siempre que el polvo sea polvo granulado. Con un método para formar una pieza a través de la fabricación aditiva de la presente invención, incluso cuando se utiliza polvo con huecos 95 en el mismo, los huecos generados en la pieza fabricada de forma aditiva resultante se pueden reducir realizando una etapa de refundición descrita más abajo. La porosidad del polvo compuesto es preferiblemente inferior o igual a un 60% en volumen y, con dicha porosidad, la precisión de la forma de la pieza fabricada de modo aditivo resultante se puede mejorar aún más. En este contexto, la porosidad se puede determinar, por ejemplo, midiendo la densidad real y la densidad aparente de las partículas usando un método de sustitución de fase gaseosa o un método de sustitución de fase líquida, y determinando la diferencia entre los dos valores. Aunque es preferible que el volumen de los huecos 95 sea pequeño, sería prácticamente difícil establecer la porosidad en el 0%, y el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención tiene una porosidad superior o igual a un 1%. Por lo tanto, la porosidad del polvo compuesto de acuerdo con la presente invención es preferiblemente de un 1 a un 60% en volumen.

A continuación se lleva a cabo la fabricación aditiva fundiendo y solidificando el polvo compuesto preparado para obtener una pieza fabricada de forma aditiva (es decir, un material compuesto) (una etapa de fabricación aditiva). La Figura 5(b) es una vista esquemática de la etapa de fabricación aditiva. La etapa de fabricación aditiva incluye una etapa de depósito de polvo compuesto y una etapa de formación de capa fundida/solidificada. La etapa de depósito de polvo compuesto incluye esparcir el polvo compuesto preparado sobre un sustrato 51 en la Figura 5(b), formando así una capa depositada del polvo compuesto. A continuación, en la etapa de formación de capa fundida/solidificada, la capa depositada se calienta localmente usando una fuente 50 de calor para formar una mezcla de microfusión de una aleación, y el área calentada se mueve dentro del plano de la capa depositada para que la mezcla de microfusión se mueva y se solidifique secuencialmente y, por lo tanto, se produce una capa solidificada 52. A través de la repetición de las dos etapas (es decir, la etapa de depósito de polvo compuesto y la etapa de formación de capa fundida/solidificada) para formar más de una capa solidificada 52 de manera apilada, se puede obtener una pieza fabricada de forma aditiva (es decir, un material compuesto) de una aleación compuesta (que contiene cerámica y metal) con la forma y el espesor deseados. Aunque en esta realización se ha seleccionado un láser como fuente 50 de calor, la fuente 50 de calor no ha de consistir necesariamente en un láser, e incluso es posible realizar favorablemente una fabricación aditiva similar utilizando un haz de electrones, arco o plasma. Además, aunque esta realización selecciona una fusión del lecho de polvo que implica esparcir el polvo sobre un sustrato por adelantado e irradiar el polvo con un rayo láser para calentar el polvo, la presente invención también es aplicable al depósito directo de metal en el que el polvo se sopla directamente a una fuente de calor para que el polvo se derrita sobre un sustrato.

A continuación, la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva producida a través de la etapa de fabricación aditiva se funde de nuevo para obtener una pieza fabricada de forma aditiva de la presente invención (es decir, una etapa de refundición). La Figura 5(c) muestra una vista esquemática de la etapa de refundición. La etapa de refundición consiste en una etapa de refundición de un área alrededor de la superficie (es decir, en el rango de profundidad de al menos 100 pm desde la superficie) de la pieza 53 fabricada de forma aditiva sobre el sustrato 51 en la Figura 5(c) utilizando la fuente 50 de calor, con lo que se permite que los huecos alrededor de la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva suban a la superficie debido a la flotabilidad y sean eliminados. La Figura 6(a) muestra una fotografía de la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva antes de la etapa de refundición. Como se muestra en la Figura 6(a), se observan huecos 96 alrededor de la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva. Dado que el polvo compuesto de acuerdo con la presente invención tiene huecos, también se generan huecos alrededor de la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva resultante. Sin embargo, la realización de la etapa de refundición puede reducir significativamente los huecos generados alrededor de la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva. La Figura 7(a) es una fotografía de la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva después de la etapa de refundición. En la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva en la Figura 7(a) que ha sido sometida a refundición no se observan huecos alrededor de la superficie, a diferencia de la pieza fabricada de forma aditiva en la Figura 6(a), que no ha sido sometida a refundición. Además, se ha comprobado que la pieza fabricada de forma aditiva de la presente invención tiene un área refundida con resistencia a altas temperaturas formada alrededor de la superficie de la misma. Se considera que esto se debe a que los huecos han flotado hacia la superficie y, por lo tanto, han desaparecido por la refundición. Dicha etapa de refundición es eficaz cuando se aplica a la superficie más exterior de la pieza fabricada de forma aditiva, pero también se puede aplicar a cada capa solidificada que forma la pieza fabricada de forma aditiva. Para obtener de forma fiable el efecto de eliminación de huecos de la pieza fabricada de forma aditiva, una mezcla de fusión que se genera durante la refundición se retiene preferiblemente durante un tiempo determinado, por ejemplo, de 0,1 a 5 minutos. Más preferiblemente, el límite inferior del tiempo de permanencia de la mezcla de fusión es de 0,5 minutos. El establecimiento del límite inferior del tiempo de permanencia de la mezcla de fusión en 0,5 minutos puede reducir la cantidad de una fase n que es una fase quebradiza, así como el carbono libre en la pieza fabricada de forma aditiva después de la etapa de refundición. Se ha de señalar que mientras las capas solidificadas se apilan repetidamente, la cantidad de una fase n y carbono libre se puede reducir ligeramente por el calor que influye desde una mezcla de fusión existente en la capa solidificada previamente apilada. Sin embargo, con el fin de reducir significativamente la cantidad de fase n y carbono libre para ajustar la estructura de la pieza fabricada de forma aditiva resultante y aumentar la resistencia de la misma, se considera eficaz aumentar el tiempo de permanencia de una mezcla de fusión tal como se describe más arriba. Para aumentar el tiempo de permanencia de una mezcla de fusión, resulta eficaz suprimir la cantidad de calor que influye desde la pieza fabricada de forma aditiva. Por lo tanto, por ejemplo se puede llevar a cabo un precalentamiento antes de que se reduzca la fabricación aditiva o la velocidad de barrido del láser. Además, aunque esta realización selecciona un láser que es similar al láser utilizado para la fabricación aditiva como fuente 50 de calor para la refundición, la fuente 50 de calor no ha de consistir necesariamente en un láser, y una refundición similar puede tener lugar favorablemente incluso cuando se utiliza un haz de electrones, arco o plasma. Se ha de señalar que el área refundida se forma preferiblemente en la superficie de una parte de la pieza fabricada de forma aditiva en la que se ha de mejorar la resistencia.

En el método de fabricación de la presente invención se lleva a cabo una etapa de tratamiento térmico en el intervalo de temperatura de 800 °C o más y 1400 °C o menos en la pieza fabricada de forma aditiva que se ha obtenido a través de la etapa de refundición anteriormente mencionada. Más preferiblemente, el límite inferior de la temperatura se establece en 1000 °C, de forma más preferible en 1200 °C, y de forma particularmente preferible en 1300 °C. Cuando la temperatura es inferior o igual a 800 °C, la velocidad de difusión de los átomos es lenta. Por lo tanto, se requeriría un tiempo largo para la homogeneización de la estructura por reconfiguración, y cuando la temperatura es superior a 1400 °C, si el material tiene una composición que incluye una gran cantidad de elemento metálico, el metal se funde y resulta difícil mantener la forma de la pieza fabricada. Por lo tanto, una temperatura así no es adecuada. Además, el tiempo de permanencia de la temperatura de tratamiento térmico se puede establecer, por ejemplo, en un tiempo de 10 minutos a 2 horas. El tiempo de permanencia preferible es de 20 minutos a 90 minutos. La Figura 3 es una fotografía SEM que muestra la estructura de sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva después de la etapa de refundición (S23). Se puede confirmar que la pieza fabricada de forma aditiva incluye, como se muestra en la Figura 3, una fase n 61 de color claro, que es una fase quebradiza generada a través de la reacción entre la fase cerámica y la fase metálica y que presenta dendrita, y se puede confirmar una fase C 3 negra aislada, que resulta de los componentes de C (carbono o grafito) de la cerámica que han sido liberados solo alrededor de la dendrita. Además, también se incluye una fase cerámica, aunque no se muestra en la Figura 3. Para aumentar aún más la resistencia de la pieza fabricada de forma aditiva, sería eficaz reducir la fase C aislada y la fase n. Para reducir o eliminar dicha fase n de la estructura dendrítica o la fase C aislada, sería eficaz realizar la etapa de tratamiento térmico (S24). La reducción o eliminación de la fase n de la estructura de dendrita o la fase C aislada puede mejorar aún más la resistencia de la pieza fabricada de forma aditiva. La Figura 4 es una fotografía SEM que muestra un ejemplo de la estructura de sección transversal de una muestra obtenida al realizar un tratamiento térmico a 1300 °C en la pieza fabricada de forma aditiva después de llevar a cabo una refundición en la misma. Como se muestra en la Figura 4, la dendrita como la fase n 61 que se muestra en la Figura 3 ha desaparecido tras el tratamiento térmico y ha pasado a ser una cerámica poligonal de fase 1. Además, también se confirma que la fase C 3 aislada en la Figura 3 también ha desaparecido. Para el tratamiento térmico se puede utilizar, por ejemplo, el equipo existente, como un horno de vacío o un horno de sinterización a presión. Aquí se selecciona preferiblemente el horno de sinterización a presión para el tratamiento térmico, ya que dicho horno es excelente en el efecto de eliminar los huecos que quedan en la pieza fabricada.

En el método de fabricación de la presente invención, preferiblemente se lleva a cabo una etapa de corte (S25) en la pieza fabricada de forma aditiva después de la etapa de tratamiento térmico (S24). Agregar una etapa de corte de este tipo puede mejorar aún más la precisión de la forma y la precisión de la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva. Como herramienta aplicable al trabajo de corte de la presente memoria se pueden utilizar, por ejemplo, las herramientas existentes, como una herramienta de fresado con extremo esférico, que puede cortar materiales difíciles de cortar como el carburo cementado. Se ha de señalar que como herramienta de fresado final se puede utilizar una herramienta de carburo cementado con revestimiento de diamante, una herramienta sinterizada cBN o una herramienta sinterizada de diamante.

El material compuesto (es decir, la pieza fabricada de forma aditiva) de la presente invención consiste en una pieza fabricada de forma aditiva que incluye una fase cerámica y una fase metálica según la reivindicación 3. Se ha de señalar que el material compuesto (es decir, la pieza fabricada de forma aditiva) de esta realización consiste en un cuerpo de aleación compuesta que incluye una fase cerámica y una fase metálica, y que tiene estructuras solidificadas rápidamente de mezclas de microfusión. Los huecos en la pieza fabricada de forma aditiva tienden a generarse de manera concentrada alrededor de la superficie de la misma debido a la introducción de gas portador o gas de protección inyectado junto con el calor de una fuente de calor y debido al proceso en el que los huecos del polvo compuesto flotan hacia arriba durante la etapa de fusión y solidificación. La pieza fabricada de forma aditiva de la presente invención puede presentar una reducción de los huecos generados alrededor de su superficie de manera concentrada porque la superficie se ha fundir de nuevo (en lo sucesivo, un área que se ha fundido de nuevo se denominará "área refundida"). En consecuencia, el número de huecos que son el origen de defectos en la pieza fabricada de forma aditiva se vuelve muy pequeño y, por tanto, se puede aumentar la resistencia de la pieza fabricada de forma aditiva. Se ha de señalar que dicha área refundida se forma en un área de la pieza fabricada de forma aditiva en la que se ha de mejorar la resistencia. Como método para medir la porosidad en esta realización, la porosidad se puede determinar, por ejemplo, observando la sección transversal de una matriz por medio de un microscopio electrónico de barrido (SEM) o similar y calculando la tasa de áreas ocupadas por los huecos, suponiendo que la tasa del área de sección transversal del material compuesto es del 100%.

La fase cerámica incluida en la pieza fabricada de forma aditiva de la presente invención tiene preferiblemente un tamaño de grano medio inferior o igual a 50 pm, ya que dicho intervalo de tamaño de grano puede mejorar aún más la resistencia y la ductilidad de la pieza fabricada de forma aditiva. Mientras tanto, si el tamaño de grano es demasiado pequeño, resulta difícil fabricar la pieza. Por tanto, el tamaño de grano medio de la fase cerámica es preferiblemente superior o igual a 0,1 pm, por ejemplo. Se ha de señalar que el tamaño de grano medio de la fase cerámica en esta realización se puede determinar, por ejemplo, calculando el tamaño medio de un círculo correspondiente al área proyectada de la fase cerámica en el rango de 30 pm * 30 pm desde una imagen SEM observada o similar.

Tal como se ha descrito más arriba, la pieza fabricada de forma aditiva de acuerdo con esta realización tiene una estructura metálica formada por un agregado de estructuras solidificadas rápidamente que se han formado a través de la solidificación rápida de mezclas de microfusión resultantes del método de fabricación aditiva. Específicamente, cada una de las estructuras solidificadas rápidamente individuales tiene una forma de borde exterior (o un contorno sustancialmente semiesférico derivado de la misma) de la mezcla de microfusión debida al calentamiento local. Además, las estructuras solidificadas rápidamente están dispuestas bidimensionalmente con sus arcos alineados en la misma dirección, formando así una capa solidificada estratificada. Además, más de una capa solidificada de este tipo se apila en la dirección del espesor. Como consecuencia de ello se obtiene una estructura metálica en la que las estructuras solidificadas rápidamente se disponen de forma tridimensional. Se ha de señalar que, dependiendo de las condiciones del método de fabricación aditiva, puede haber casos en los que los límites de fusión no se observen claramente.

Cuando se observan con más detalle las estructuras solidificadas rápidamente producidas a través de la fabricación aditiva, se comprueba que a lo largo de la dirección de apilamiento (es decir, la dirección del espesor) de las capas solidificadas han crecido cristales en columna y una fase n, que se extiende a través de los límites de fusión, y los cristales en columna están dispuestos con límites de grano inclinados entre ellos. Además, de vez en cuando se pueden observar límites de grano de ángulo bajo dentro de los cristales en columna. En la presente invención, un límite de grano cuya inclinación entre granos adyacentes (es decir, una inclinación entre orientaciones predeterminadas de cristales adyacentes) es superior o igual a 15° se define como un límite de grano de ángulo alto, y un límite de grano cuya inclinación entre granos adyacentes es inferior a 15° se define como un límite de grano de ángulo bajo. Estas inclinaciones de los límites de grano se pueden medir mediante el análisis de una imagen de difracción por retrodispersión de electrones (EBSD, por sus siglas en inglés).

Para designar una estructura determinada como una "estructura solidificada rápidamente", la estructura debe tener cristales en columna, como una fase n, con un tamaño de grano medio al menos inferior o igual a 100 pm. Desde la perspectiva de la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de una aleación compuesta, el tamaño de grano medio de los cristales en columna es más preferiblemente inferior o igual a 50 pm, y aún más preferiblemente inferior o igual a 10 pm. Se ha de señalar que el tamaño de grano medio en la presente invención se define como un valor medio calculado a partir del diámetro corto y el diámetro largo de un valor de grano binarizado que se ha obtenido mediante la binarización de tamaños de grano leídos a partir de una imagen observada con un microscopio óptico o microscopio electrónico usando un software de análisis de imágenes (es decir, un software de dominio público de NIH Image).

La proporción de la fase n en la pieza fabricada de forma aditiva de acuerdo con esta realización es inferior o igual a un 10% en masa. En consecuencia, dado que la pieza fabricada de forma aditiva de esta realización ha generado dentro de la misma una cantidad suprimida de una fase n que es una fase quebradiza, se puede obtener una excelente propiedad de resistencia adicional y similares. En la presente memoria, el porcentaje en masa (% en masa) en esta realización se puede medir fácilmente realizando una determinación cuantitativa sustancial de un resultado de medición de difracción de rayos X (XRD) utilizando la relación de intensidad de referencia (RIR). Se ha de señalar que para el valor RIR utilizado en el método RIR de esta realización se ha empleado el valor descrito en la tarjeta ICDD.

Aunque en esta realización se produce una pieza fabricada de forma aditiva sobre un sustrato, la presente invención no se limita a ello, y también es posible formar una pieza con una forma deseada utilizando un método de fabricación aditiva sin el uso de un sustrato. Además, la presente invención no sólo se puede utilizar para matrices, sino también para materiales resistentes al calor de automóviles o aeronaves.

[Ejemplos]

La presente invención se describirá adicionalmente a continuación, específicamente con referencia a Ejemplos y un Ejemplo Comparativo. Se ha de señalar que la presente invención no se limita a dichos Ejemplos.

<Ejemplo 1> (referencia)

En primer lugar se observaron cambios en la tasa de generación de huecos en piezas fabricadas de forma aditiva que dependen de las condiciones de refundición. Se preparó un polvo compuesto de WC-Co que contenía un 45% en volumen de una fase de carburo de tungsteno (WC) y un 55% en volumen de una fase de cobalto (Co). El polvo compuesto tiene huecos 95 dentro del mismo tal como se muestra en la Figura 2. El polvo compuesto se cargó en un equipo de fabricación aditiva por láser y, después, el polvo se fundió y solidificó en las condiciones mostradas en la Tabla 1 para obtener tres piezas fabricadas de forma aditiva. Dos de ellas se sometieron a refundición en las condiciones mostradas en el n° 1 y n° 2 de la Tabla 2, y la otra no se sometió a refundición (n° 11). Se ha de señalar que la duración de permanencia de una mezcla de fusión en cada uno de los números 1 y 2 estuvo en el intervalo de 0,5 a 1 minuto. Cada una de las muestras obtenidas se cortó en la dirección de su espesor, y la sección transversal así obtenida se observó usando un microscopio metalográfico invertido (producido por Olympus Corporation) de modo que se observó la sección transversal (en el rango de 4 mm * 4 mm) de la pieza fabricada de forma aditiva y, a través de procesamiento de imágenes, se determinó la tasa de huecos por área en el rango de espesor de 100 pm desde la superficie frontal. Además se midieron la resistencia a la rotura y la ductilidad a la rotura de la pieza fabricada de forma aditiva. La Tabla 3 muestra los resultados de medición.

[Tabla 1]

[Tabla 2]

[Tabla 3]

Los resultados de la Tabla 3 pueden confirmar que la muestra n° 1 no tiene huecos en el rango de espesor de 100 pm desde la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva y, por lo tanto, tiene una mayor resistencia a la rotura y ductilidad a la rotura que las de la muestra n° 11, que es un Ejemplo Comparativo que no ha sido sometido a refundición y, por consiguiente, se obtuvieron resultados totalmente excelentes. La muestra n° 2 tiene una pequeña cantidad de huecos, específicamente una porosidad de un 2,3% en el rango de espesor de 100 pm desde la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva, debido a que la potencia de salida del láser de la muestra n° 2 durante la refundición fue más baja que la de la muestra n° 1. Sin embargo, la resistencia a la rotura y la ductilidad a la rotura de la muestra n° 2 resultan ser más altas que las de la muestra n° 11, que es el Ejemplo Comparativo, y por lo tanto, se obtuvieron excelentes resultados. A partir de los resultados se comprueba que la introducción de la etapa de refundición puede reducir la porosidad y aumentar la resistencia a la rotura y la ductilidad a la rotura de la pieza fabricada de forma aditiva.

La estructura de la pieza fabricada de forma aditiva se observó antes de la etapa de refundición, después de la etapa de refundición y después de la etapa de tratamiento térmico. En primer lugar, como polvo compuesto para la fabricación aditiva se preparó un polvo compuesto de WC-Co que contenía un 45% en volumen de carburo de tungsteno (WC) y un 55% en volumen de cobalto (Co). Después, el polvo preparado se cargó en un equipo de fabricación aditiva por láser, y luego se fundió y solidificó en las condiciones mostradas en la Tabla 4 para obtener una pieza fabricada de forma aditiva. La Figura 6(a) muestra una fotografía de la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva obtenida, y la Figura 6(b) muestra una fotografía ampliada de un área A de la Figura 6(a). Como se muestra en la Figura 6(a), alrededor de la superficie de la pieza fabricada de forma aditiva se observan huecos 96.

[Tabla 4]

A continuación, la pieza fabricada de forma aditiva mostrada en la Figura 6(a) se sometió a refundición en las mismas condiciones que las de la muestra n° 1 en la Tabla 2 del Ejemplo 1. La Figura 7(a) es una fotografía de la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva después de la etapa de refundición, y la Figura 7(b) muestra una fotografía ampliada de un área B de la Figura 7(a). Se comprueba que a partir de la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva en la Figura 7(a) sometida a refundición no se observan huecos alrededor de la superficie y, por lo tanto, se forma un área refundida con resistencia a altas temperaturas. Mientras tanto, como se muestra en la Figura 6(b) y la Figura 7(b), se comprueba que, independientemente de si se ha realizado o no la refundición, la estructura superficial de la pieza fabricada de forma aditiva ha generado dentro de la misma una fase C 60 aislada de los componentes C (carbono o grafito) liberados solo de las partículas cerámicas, una fase n 61 generada a través de la reacción entre la fase cerámica y la fase metálica, y la fase metálica 62.

En la pieza fabricada de forma aditiva que había sido sometida a la etapa de refundición anteriormente mencionada mostrada en la Figura 7(a) se llevó a cabo una medición XRD utilizando un difractómetro de rayos X de microárea (nombre del producto: SmartLab) producido por Rigaku Corporation. Las condiciones de medición establecidas fueron: una fuente de rayos X: Cu, potencia de salida de rayos X: 45 kV/200 mA, rango de barrido: 5 < 20 < 100 grados, y velocidad de exploración: 1,0 grados/min. A partir de los resultados obtenidos se determinó sencillamente el porcentaje en masa de cada fase incluida en la muestra mediante determinación cuantitativa sustancial utilizando el método RIR. La Figura 11 muestra los resultados de la medición XRD, y la Tabla 5 muestra el porcentaje en masa determinado. Los resultados de la Tabla 5 pueden confirmar que la pieza fabricada de forma aditiva de esta realización contiene un 5,9% en masa de una fase q. Se ha de señalar que el patrón de pico estándar de cada fase se obtuvo de la tarjeta ICDD.

[Tabla 5]

% en masa

Con el fin de reducir aún más la fase C 60 aislada restante y la fase n 61, se aplicó un tratamiento térmico a la pieza fabricada de forma aditiva mostrada en la Figura 7(a) y después se observó la estructura de la sección transversal de la misma. La Figura 4 es una fotografía de la sección transversal de la pieza fabricada de forma aditiva sometida a tratamiento térmico a 1300 °C durante 1 hora utilizando un equipo de tratamiento térmico al vacío. A partir de la Figura 4 se comprueba que la pieza fabricada de forma aditiva después del tratamiento térmico ya no tiene la fase C 60 aislada o la fase n 61, a diferencia de las que se muestran en las Figuras 6(b) y 7(b), y por lo tanto se obtuvo una estructura con una dureza aún mayor.

A continuación, después de seleccionar las condiciones de la Tabla 4 se llevó a cabo una refundición en las mismas condiciones que las de la muestra n° 1 de la Tabla 2 del Ejemplo 1, y después se llevó a cabo un tratamiento térmico a 800 °C, 1200 °C y 1300 °C durante 0,5 horas. Las estructuras respectivas obtenidas se muestran en las Figuras 8, 9 y 10. Aunque no se observó una fase cerámica de una estructura dendrítica en cada una de las Figuras 8, 9 y 10, en las estructuras respectivas sometidas al tratamiento térmico a 800 °C y 1200 °C se confirmaron una fase n 80 y una fase C 82 aislada. Por lo tanto, se supone que dichas temperaturas no permitieron que tuviera lugar una transformación suficiente. Mientras tanto se confirmó que, cuando se llevó a cabo el tratamiento térmico a 1300 °C, se obtuvo una estructura bifásica que solo incluía una fase WC 90 y una fase metálica 91. Cuando el tratamiento térmico se lleva a cabo a 1300 °C, la fase C aislada y la fase n se pueden eliminar en un tiempo más corto que cuando el tratamiento térmico se lleva a cabo a 1200 °C. Por lo tanto, el tratamiento térmico se realiza preferiblemente a 1300 °C. Además, cuando se realizó la medición XRD en la muestra sometida al tratamiento térmico a 1300 °C, tampoco se observó ningún pico correspondiente a la fase n.

Aunque las realizaciones de la presente invención se han descrito en detalle más arriba, la presente invención no se limita a ellas, y dentro del alcance de la presente invención se pueden realizar diversos cambios de diseño enumerados en las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, aunque las realizaciones anteriormente mencionadas se han descrito en detalle para ilustrar claramente la presente invención, la presente invención no necesita incluir todas las configuraciones descritas en las realizaciones. Es posible reemplazar una parte de una configuración de una realización con una configuración de otra realización. Además, también es posible añadir, a una configuración de una realización, una configuración de otra realización.

Lista de símbolos de referencia

1 Fase cerámica

2, 62 Fase metálica

3, 60, 82 Fase C (carbono) libre

40 Polvo compuesto

50 Fuente de calor

51 Sustrato

52 Capa solidificada

53 Material compuesto

61 Fase n

70 Área no refundida

71 Área refundida

90 Fase WC

81, 91 Fase Co

95 Hueco en polvo

96 Hueco en material compuesto

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de fabricación de material compuesto que comprende:

una etapa de fabricación aditiva consistente en utilizar un polvo compuesto que contiene cerámica y metal y que tiene huecos en el mismo para formar un material compuesto que contiene la cerámica y el metal repitiendo etapas de fusión y solidificación del polvo compuesto, seleccionándose la cerámica entre carburo, nitruro, carbonitruro, óxido o boruro de al menos uno de W, Cr, Mo, V, Zr, Al, Si, Nb, Ta o Ti, y siendo el metal al menos un elemento seleccionado entre Co, Ni, Fe, W o Mo;

una etapa de refundición consistente en refundir una superficie del material compuesto; y

una etapa de tratamiento térmico consistente en aplicar un tratamiento térmico en un intervalo de temperatura de 800 a 1400 °C después de la etapa de refundición.

2. El método de fabricación de material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, en el que

la cerámica es carburo de tungsteno, y

el metal es cobalto.

3. Un material compuesto que comprende una fase cerámica y una fase metálica, seleccionándose la fase cerámica entre carburo, nitruro, carbonitruro, óxido o boruro de al menos uno de W, Cr, Mo, V, Zr, Al, Si, Nb, Ta o Ti, y siendo el metal al menos un elemento seleccionado entre Co, Ni, Fe, W o Mo;

en donde la porosidad de un área del material compuesto en un rango de espesor de al menos 100 pm desde una superficie del material compuesto es inferior o igual a un 10%, y el porcentaje en masa de una fase n incluida en el material compuesto es inferior o igual a un 10%.

4. El material compuesto según la reivindicación 3, en donde la fase cerámica consiste en carburo de tungsteno y la fase metálica consiste en cobalto.