ES2858350T3

ES2858350T3 - Compuesto de matriz metálica con alta resistencia, matriz de aleación de aluminuro de titanio y refuerzo de óxido de aluminio formado in situ

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Publication number: ES2858350T3
Application number: ES17792336T
Authority: ES
Inventors: Scott Richard Holloway
Original assignee: Parker Lodge Holdings LLC
Current assignee: Parker Lodge Holdings LLC
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2021-09-30
Anticipated expiration: 2037-05-04
Also published as: PT3452429T; CA3023035A1; EP3452429B1; US12473615B2; EP3452429A4; US11572609B2; EP3452429A1; US20190093202A1; WO2017190245A1; US20230151463A1; DK3452429T3; CA3023035C

Abstract

Un compuesto de matriz metálica, que comprende: una matriz de aleación de aluminuro de titanio; y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, en donde la matriz de aleación de aluminuro de titanio comprende al menos dos fases de aluminuro de titanio, y en donde el porcentaje atómico de aluminio en la matriz de aleación de aluminuro de titanio varía de 40,0 % a 48,0 %, en donde las cantidades de las fases de aluminuro de titanio en forma de TiAl y Ti3Al y la fase de óxido de aluminio en forma de Al2O3 se seleccionan en equivalentes molares de acuerdo con la siguiente fórmula: 3(1 - 2x)TiAl + 3 xTi3Al + 2(1 + x)Al2O3. en donde x varía de 0,04 a 0,20, y en donde la porosidad es 2 % o menos según se determina al comparar la densidad medida con la densidad teórica del compuesto.

Description

DESCRIPCIÓN

Compuesto de matriz metálica con alta resistencia, matriz de aleación de aluminuro de titanio y refuerzo de óxido de aluminio formado in situ

Campo

La presente descripción se refiere a materiales compuestos de matriz metálica y, en particular a compuestos de matriz metálica fabricados mediante el uso de reacciones exotérmicas, lo que incluye reacciones de síntesis de alta temperatura autopropagables.

Introducción

Los siguientes párrafos no son una admisión de que todo lo que se discute en ellos es técnica anterior o parte del conocimiento de los expertos en la técnica.

La síntesis de alta temperatura autopropagable (SHS) es un método conocido en la técnica para fabricar compuestos metálicos y materiales compuestos de matriz metálica mediante una reacción exotérmica entre polvos mezclados de materiales reactivos, caracterizada por una velocidad de reacción y una velocidad posterior de calentamiento, que son lo suficientemente altas como para hacer que la reacción se autopropague, y que pueden dar como resultado productos de reacción considerados útiles para aplicaciones científicas y de ingeniería.

En su forma más simple, se puede decir que una reacción SHS ocurre de acuerdo con la siguiente fórmula química:

A + B ^ AB -AH

donde "A" y "B" son elementos que se combinan para formar el compuesto químico "AB" y el término AH es el calor de reacción, que se puede calcular de la siguiente manera:

donde AfH es la entalpía de formación. Para la fórmula química anterior, el valor de AH se puede calcular como:

y debido a que la entalpía de formación de elementos es siempre cero, esta ecuación se puede reducir a:

Para reacciones exotérmicas el valor de AH se puede decir que es menor que cero, y que es igual a la cantidad de energía térmica por mol de reactivo liberado como un resultado de la reacción.

Para comprender si existe o no una fuerza impulsora para la reacción, generalmente es necesario evaluar el cambio en la energía libre de Gibbs, que está relacionado con el calor de la reacción, la temperatura y el cambio en la entropía mediante la ecuación:

AG = AH - TAS

Para que exista la fuerza impulsora, el valor de AG debe ser menor que cero, y en tales casos se puede decir que la reacción es "espontánea". El cambio en la energía libre de Gibbs para la reacción se puede calcular como:

donde AfG es la energía libre de formación de Gibbs para los compuestos de la reacción. Para la reacción anterior, el cambio en la energía libre de Gibbs se puede calcular como:

donde "AfGAB" es la energía libre de formación de Gibbs para el compuesto químico "AB".

En resumen, las reacciones SHS se pueden caracterizar como exotérmicas (AH < 0) y espontáneas (AG < 0).

Una clase de materiales que se pueden producir mediante el uso de SHS son los compuestos de matriz metálica "in situ". Se trata de compuestos que comprenden una fase de refuerzo, en donde la fase de refuerzo participa directamente en la reacción SHS. Una de esas reacciones se puede describir en su forma básica como:

A + B Y ^ B + AY-AH,

donde "A" y "B" son elementos metálicos. Y es un elemento no metálico, que incluye, por ejemplo, boro, carbono, nitrógeno u oxígeno. "BY" y "AY" son compuestos químicos que contienen al menos un elemento metálico y al menos un elemento no metálico y "AY" es la fase de refuerzo formada in situ. Esta reacción se puede caracterizar por la aparición del elemento "B" en su forma elemental pura, que no reacciona con el compuesto químico "A". El calor resultante de la reacción (AH) puede estar dado por:

AH ⁼ AfH^ay- AfH¡¡y

El cambio en la energía libre de Gibbs (AG) se puede dar por:

AG — AfG /iy ~ AfG jjy

Un ejemplo particular de un material en la clase de materiales compuestos de matriz metálica que se puede producir mediante el uso de SHS, es un compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio con una fase de refuerzo de óxido de aluminio formada in situ. La fórmula química básica para la formación de este compuesto de matriz metálica de aleación se puede describir como sigue:

7 Al + 3TiO2^ 3TÍAI + 2AhO3.

De acuerdo con la fórmula anterior, se conoce en la técnica que la modalidad de una reacción SHS para formar un compuesto de matriz de aluminuro de titanio que comprende una fase de refuerzo de óxido de aluminio, implica el uso de 7 equivalentes molares de aluminio y 3 equivalentes molares de dióxido de titanio como reactivos, con el fin de obtener un producto compuesto de matriz que comprende 3 equivalentes molares de matriz de aleación de aluminuro de titanio reforzada con 2 equivalentes molares de óxido de aluminio. Se observa que en esta reacción particular de SHS las temperaturas máximas pueden exceder los 1400 °C.

Una de las limitaciones significativas de los procesos de síntesis de SHS conocidos en la técnica para la formación de compuestos de matriz de aluminuro de titanio es que producen materiales que pueden exhibir una porosidad sustancial, como se describe, por ejemplo, en la Publicación de Patente de los Estados Unidos No. 2006/0032558. La presencia de porosidad afecta negativamente a las propiedades del material de los compuestos. En particular, los materiales compuestos de matriz de aleación de aluminuro de titanio que tienen niveles de porosidad por debajo del 2 % hasta ahora han sido inalcanzables.

Un conjunto de técnicas que ha evolucionado para reducir la porosidad del material de los componentes del compuesto de matriz de aluminuro de titanio implica la aplicación de presión sobre el material durante la reacción SHS. Sin embargo, persisten los inconvenientes asociados con el rendimiento de estas técnicas conocidas. Notablemente, bajo presión, la tensión residual del material después de la síntesis es muy alta, y aumenta aún más durante el enfriamiento del material como resultado del desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre las dos fases. Además, la resistencia a altas temperaturas de la fase de aluminuro de titanio es baja. Por tanto, se observa con frecuencia una falla catastrófica del material como resultado de que la tensión de compresión exceda la resistencia a alta temperatura de la matriz de aluminuro de titanio, o la tensión residual que exceda la resistencia a alta temperatura de la matriz de aluminuro de titanio durante el enfriamiento del material.

Propiedades mecánicas y microestructura de compuestos in situ de Al2O3/TiAl dopados con Cr y V2O5 por Zhang y otros. (K. Zhang y otros, " Mechanical properties and microstructure of Al2O3/TiAl in situ composites doped with Cr and V2O5", Science of Sintering, 44 (2017), 73-80) describe los compuestos in situ de Al2O3/TiAl dopado con Cr y V2O5 preparado por Ti, Al, TiO2, Cr y V2O5 mediante prensado en caliente. Se investigó el efecto del contenido de Al2O3 formado in situ sobre la composición de la fase, la microestructura y las propiedades mecánicas de los compuestos Al2O3/TiAl. El compuesto con 7,54 % atómico de Al2O3 posee la máxima resistencia a la flexión y tenacidad a la fractura de 335,38 MPa y 5,39 MPa m1/2, respectivamente.

Propiedades y estructuras electrónicas de compuestos de aluminuros de titanio-alúmina del proceso SHS in situ por Shen y otros. (YF Shen y otros: "Properties and electronic structures of titanium aluminides-alumina composites from insitu SHS process", Materials Sciene and Engineering A, 528 (2011), 2100-2105) describe compuestos de aluminuros de titanio-alúmina sintetizados in situ por el método de síntesis de alta temperatura autopropagable (SHS), seguido de un proceso de prensado en caliente.

El denso procesamiento de compuestos de fase interpenetrante in situ de AhOs-aluminuro de Ti como se describe en Horvitz y otros. (D. Horvitz y otros: "In situ processing of dense Al2O3-Ti aluminide interpenetrating phase composites", Journal of the European Ceramic Society, 22 (2002), 947-954) describe la síntesis autopropagable a alta temperatura (SHS) de mezclas compactadas de polvo de tamaño nanométrico de TiO2 y Al de tamaño micro usado para fabricar compuestos de fase interpenetrante in situ de alúmina - TiAl/TisAl.

Por lo tanto, existe una necesidad en la técnica de compuestos de matriz de aluminuro de titanio mejorados. En particular, existe una necesidad en la técnica de un compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio de alta resistencia y baja porosidad que se forme mediante el uso de SHS y que sea capaz de resistir tanto la tensión de compresión como la tensión residual durante un período de tiempo suficiente hasta que el material se puede enfriar y aliviar la tensión sin fallas catastróficas del material.

Resumen

Los siguientes párrafos están destinados a presentar al lector la descripción más detallada que sigue y no a definir o limitar el tema reivindicado.

La presente descripción se refiere a materiales compuestos de matriz metálica y métodos para fabricarlos. La presente descripción se refiere además a aleaciones de aluminuro de titanio reforzadas con óxido de aluminio, también conocidas como compuestos de matriz de aleación de aluminuro de titanio.

En un aspecto de la presente invención, existe un compuesto de matriz metálica como se define en la reivindicación 1.

Al menos una de las fases de aluminuro de titanio consiste en TiAI. Al menos una de las fases de aluminuro de titanio consiste en TisAl. El porcentaje en peso de TisAl puede variar de 9,02 % a 43,17 %.

Al menos una de las fases de la aleación de aluminuro de titanio consiste sustancialmente en TiAI, y al menos una de las fases de la aleación de aluminuro de titanio consiste sustancialmente en TisAl.

Las cantidades de las fases de aluminuro de titanio en forma de TiAI y TiAls y la fase de óxido de aluminio en forma de Al2Os se seleccionan en equivalentes molares de acuerdo con la siguiente fórmula:

s(1 - 2x)TiAl + s xThAl + 2(1 x)AhO3,

en donde x varía de 0,04 a 0,20.

El compuesto de matriz metálica puede comprender al menos un elemento de aleación seleccionado del grupo que consiste en boro, carbono, cromo, manganeso, silicio, vanadio y cualquier combinación de los mismos.

El compuesto de matriz metálica tiene una porosidad de 2 % o menos, o aproximadamente 1 % o menos.

El compuesto de matriz metálica puede usarse en un artículo de fabricación. El artículo de fabricación puede seleccionarse del grupo que consta de una pieza de automóvil, una pieza aeronáutica y una pieza de armería. En un aspecto de la presente descripción, se proporciona un método para fabricar un compuesto de matriz metálica como se define en la reivindicación 6.

La etapa de proporcionar puede comprender proporcionar el aluminio reactivo y el dióxido de titanio en forma de partículas. La etapa de proporcionar puede comprender compactar las partículas. La etapa de proporcionar puede comprender calentar las partículas antes o durante la compactación.

La etapa de proporcionar comprende seleccionar cantidades del reactivo aluminio y dióxido de titanio en equivalentes molares de acuerdo con la siguiente fórmula:

(7+x)AI 3(1+x)Ti02 -»

3(1 - 2x)TiAl + 3 ^xT^í3A1 + 2(1 ^x)A I2O^j

en donde x varía de 0,04 a 0,20.

El método puede comprender añadir al menos un elemento de aleación al compuesto de matriz metálica seleccionado del grupo que consiste en boro, carbono, cromo, manganeso, silicio, vanadio y cualquier combinación de los mismos.

La etapa de calentamiento puede comprender calentar la mezcla a una primera temperatura para provocar la fusión de sustancialmente todo el aluminio de la mezcla. La primera temperatura puede ser superior a 660 °C. La etapa de calentamiento puede comprender calentar la mezcla a una segunda temperatura para iniciar la reacción exotérmica. La segunda temperatura puede ser superior a 800 °C. La etapa de calentamiento puede comprender permitir que la mezcla alcance al menos una temperatura de transición de la mezcla durante la reacción exotérmica. El método puede comprender permitir que la mezcla alcance más de 1125 °C durante la reacción exotérmica.

Se puede fabricar un compuesto de matriz metálica de acuerdo con los métodos descritos en la presente descripción. La porosidad del compuesto de matriz metálica es de 2 % o menos, o aproximadamente 1 % o menos. El compuesto de matriz metálica puede usarse en un artículo de fabricación. El artículo de fabricación se puede seleccionar del grupo que consiste en una pieza de automóvil, una pieza aeronáutica, una pieza de armería.

Otras características y ventajas de la presente descripción resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada. Debe entenderse, sin embargo, que la descripción detallada, aunque indica las modalidades preferidas de la descripción, se proporciona únicamente a modo de ilustración, ya que varios cambios y modificaciones pueden caer dentro del alcance de protección proporcionado por las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos incluidos en la presente son para ilustrar varios ejemplos de aparatos y métodos de la presente descripción y no pretenden limitar el alcance de lo que se enseña de ninguna manera. En los dibujos:

La Figura 1 es un diagrama de bloques esquemático que ilustra un ejemplo de un método para preparar un compuesto de matriz que comprende una fase de aleación de aluminuro de titanio y una fase de óxido de aluminio formada in situ.

Las Figuras 2A y 2B son gráficos que representan partes de un diagrama de fase binario de aluminuro de titanio. La Figura 2A muestra el diagrama de fase entre T = 600 °C y T = 1800 °C. El gráfico muestra qué fases se espera que estén en equilibrio a distintas temperaturas en función de las distintas cantidades de aluminio, expresadas como porcentaje atómico. El porcentaje atómico de aluminio entre el 40 % y el 48 % se destaca en gris. La Figura 2B es una vista ampliada del área marcada con 2B en la Figura 2A. La a-temperatura de transición (Ta) para un porcentaje atómico dado de aluminio se puede determinar con referencia a la línea XY y la escala de temperatura en la Figura 2A. Por tanto, por ejemplo, la Ta en un porcentaje atómico de 40 % de aluminio es aproximadamente 1125 °C (ver: flechas, Figura 2A).

Descripción detallada

A continuación se describirán varios aparatos, métodos o composiciones para proporcionar un ejemplo de una modalidad de cada invención reivindicada. Ninguna modalidad descrita a continuación limita cualquier invención reivindicada y cualquier invención reivindicada puede cubrir aparatos, métodos y composiciones que difieran de los descritos a continuación. Las invenciones reivindicadas no se limitan a aparatos, métodos y composiciones que tienen todas las características de cualquier aparato, método o composición descritos a continuación o características comunes a múltiples o todos los aparatos, métodos o composiciones descritos a continuación. Es posible que un aparato, método o composición descritos a continuación no sea una modalidad de ninguna invención reivindicada. Cualquier invención descrita en un aparato, método o composición que se describe a continuación que no se reivindica en este documento puede ser objeto de otro instrumento de protección, por ejemplo, una solicitud de patente continua, y el solicitante(s), inventor(es) y/o el propietario(s) no tiene la intención de abandonar, negar o dedicar al público tal invención mediante su descripción en este documento. Términos y Definiciones

Como se usa en la presente descripción y en las reivindicaciones, las formas singulares, tales como "un", "una" y "el" incluyen la referencia en plural y viceversa, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. A lo largo de esta especificación, a menos que se indique lo contrario, "comprende", "comprende" y "que comprende" se usan de manera inclusivamente en lugar de exclusivamente, de modo que un número entero o grupo de números enteros puede incluir uno o más de otros números enteros o grupos de números enteros no establecidos.

El término "o" es inclusivo a menos que se modifique, por ejemplo, por "cualquiera".

Cuando se usan intervalos en la presente descripción para propiedades físicas, tales como peso molecular, o propiedades químicas, tales como fórmulas químicas, se pretende que estén incluidas todas las combinaciones y subcombinaciones de intervalos y modalidades específicas. Aparte de los ejemplos operativos, o cuando se indique de otro modo, todos los números que expresan cantidades de ingredientes o condiciones de reacción usados en la presente descripción deben entenderse modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". El término "aproximadamente" cuando se refiere a un número o intervalo numérico significa que el número o intervalo numérico al que se hace referencia es una aproximación dentro de la variabilidad experimental (o dentro del error experimental estadístico) y, por tanto, el número o intervalo numérico puede variar entre 1 % y 15 % del número indicado o intervalo numérico, como se reconocerá fácilmente por el contexto. Además, cualquier intervalo de valores descritos en la presente descripción tiene la intención de incluir específicamente los valores limitantes del intervalo, y cualquier valor intermedio o subintervalo dentro del intervalo dado, y todos estos valores intermedios y subintervalos se describen individualmente y específicamente (por ejemplo, un intervalo de 1 a 5 incluye 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,90, 4, y 5). Similarmente, otros términos de grado tales como "sustancialmente" y "aproximadamente" como se usan en la presente descripción significan una cantidad razonable de desviación del término modificado de manera que el resultado final no cambie significativamente. Estos términos de grado deben interpretarse como que incluyen una desviación del término modificado si esta desviación no niega el significado del término que modifica. A menos que se defina de otro modo, los términos científicos y técnicos usados en relación con las formulaciones descritas en la presente descripción tendrán los significados que entienden comúnmente los expertos en la técnica. La terminología usada en la presente descripción tiene el propósito de describir únicamente modalidades particulares y no pretende limitar el alcance de la presente invención, que se define únicamente por las reivindicaciones.

El término "a-temperatura de transición" y el símbolo "Ta" como puede usarse indistintamente en la presente descripción con referencia a fases y aleaciones de aluminuro de titanio, se refiere a la temperatura por encima de la cual existe una mezcla de titanio y aluminio exclusivamente en una solución sólida de la forma cristalina de alfatitanio. Cuando el material se enfría desde una temperatura por encima de la temperatura de transición hasta por debajo de la a-transo de temperatura, pasa del campo de fase alfa titanio a un campo de fase en el que el titanio no existe exclusivamente en su forma cristalina alfa-titanio.

El término "aluminio", como se usa en la presente descripción, se refiere al elemento químico conocido con el nombre de aluminio o aluminio en su configuración elemental.

El término "óxido de aluminio", como se usa en la presente descripción, se refiere a un compuesto químico que consiste en aluminio y oxígeno y que tiene la fórmula química de Ah03.

El término "mezcla", como se usa en la presente descripción, se refiere a una composición que comprende al menos dos constituyentes químicos, tales como dos compuestos químicos, o un compuesto químico y un elemento químico. Los componentes de la mezcla pueden estar distribuidos de forma más o menos homogénea. El término, como se usa en la presente descripción con respecto al aluminio y el dióxido de titanio en partículas, pretende incluir ampliamente cualquier mezcla que comprenda dióxido de titanio y aluminio en cualquier forma o constitución. Las mezclas pueden comprender compuestos sólidos, por ejemplo compuestos en partículas, o compuestos líquidos o una combinación de compuestos sólidos y líquidos.

El término "aluminuro de titanio", como se usa en la presente descripción, se refiere a compuestos químicos intermetálicos que consisten en titanio y aluminio, incluidos, sin limitación, en forma de compuestos que tienen la fórmula química TiAl, Ti3Al, TiAh, TiAh o Ti3Al5 o mezclas que comprenden dos o más de los anteriores, y además incluyen cualquier estructura cristalina y estructura cristalina superreticular, que incluye Y-TiAl.

El término "dióxido de titanio", como se usa en la presente descripción, se refiere a un compuesto químico que consiste en titanio y oxígeno y que tiene la fórmula química TiO2.

En la presente descripción se puede hacer referencia a varios elementos químicos y composiciones químicas indistintamente mediante el uso de identificadores de una, dos o tres letras para los elementos químicos de acuerdo con la Tabla periódica de elementos químicos, o mediante el uso de su nombre químico completo, tales como: "boro" o "B", "óxido de aluminio" o "AhOa".

Todas las publicaciones, patentes y solicitudes de patente se incorporan en la presente descripción como referencia en su totalidad en la misma medida que si cada publicación individual, patente o solicitud de patente estuviera indicada específica e individualmente para ser incorporada por referencia en su totalidad.

Implementación general

En un aspecto amplio, la presente descripción se refiere a materiales compuestos de matriz metálica, en particular aleaciones de aluminuro de titanio reforzadas con óxido de aluminio, también conocidas como compuestos de matriz de aleación de aluminuro de titanio.

Los compuestos de matriz metálica de la presente descripción se pueden caracterizar por exhibir una porosidad mínima. Por ejemplo, la porosidad de los materiales compuestos de la presente descripción puede ser de 2 % o menos, lo que hace que los materiales compuestos de la presente descripción sean particularmente útiles para preparar artículos que requieren integridad cuando se exponen a tensiones y fuerzas sustanciales.

Los materiales compuestos de la presente descripción se pueden fabricar al realizar una reacción química exotérmica. Las condiciones de reacción pueden controlarse de tal manera que los compuestos de aleación de aluminuro de titanio de la presente descripción, una vez formados, experimenten sorprendentemente pocos fallos catastróficos del material. Esto contrasta con los compuestos conocidos en la técnica, que, como resultado de un esfuerzo de compresión que excede la resistencia a alta temperatura de la matriz de aleación de aluminuro de titanio, o un esfuerzo residual que excede la resistencia a alta temperatura de la matriz de aleación de aluminuro de titanio durante el enfriamiento del material, fallan con frecuencia. Por tanto, la economía de fabricación de los materiales compuestos siempre que la presente descripción pueda ser atractiva.

En consecuencia, la presente invención es un compuesto de matriz metálica que comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, en donde la matriz de aleación de aluminuro de titanio comprende al menos dos fases de aluminuro de titanio, y en donde el porcentaje atómico de aluminio en la matriz de aleación de aluminuro de titanio varía de 40,0 % a 48,0 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser 40 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 40 % a 44%.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 40 % a 42 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 42 % a 44 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 40 % a 41 % o aproximadamente 41 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 41 % o aproximadamente 41 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 41 % o aproximadamente 41 % a 42 % o aproximadamente 42 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 42 % o aproximadamente 42 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 42 % o aproximadamente 42 % a 43 % o aproximadamente 43 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 43 % o aproximadamente 43 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 43 % o aproximadamente 43 % a 44 % o aproximadamente 44 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 44 % a 48 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 44 % a 46 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 46 % a 48 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 44 % o aproximadamente 44 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 44 % o aproximadamente 44 % a 45 % o aproximadamente 45 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 45 % o aproximadamente 45 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 45 % o aproximadamente 45 % a 46 % o aproximadamente 46 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 46 % o aproximadamente 46 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 46 % o aproximadamente 46 % a 47 % o aproximadamente 47 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 47 % o aproximadamente En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede variar de 47 % o aproximadamente 47 % a 48 %.

En algunas modalidades, el porcentaje atómico de aluminio en la aleación puede ser de 48 %.

En algunas modalidades, la aleación puede comprender una fase de aluminuro de titanio en forma de TiAI.

En algunas modalidades, el compuesto de matriz metálica puede comprender una fase de aleación de aluminuro de titanio en forma de TisAl.

En algunas modalidades, el compuesto de matriz metálica puede comprender o consistir en una fase de aluminuro de titanio en forma de TiAI, pero está sustancialmente libre de TisAl.

En algunas modalidades, la aleación puede comprender fases de aluminuro de titanio en forma de TiAl y TisAl. En algunas modalidades, la aleación puede comprender una fase de aluminuro de titanio en forma de TisAl, en donde el porcentaje en peso de TisAl puede variar de 9,02 % a 43,17 %.

En algunas modalidades, el porcentaje en peso (% en peso) y los equivalentes molares correspondientes (mol) de TisAl, y el porcentaje atómico (% atómico) de aluminio en la aleación pueden ser los especificados en la Tabla 1.

Tabla 1

Los compuestos de matriz metálica de la presente invención comprenden equivalentes molares de aluminuro de titanio en forma de TiAl y TiAls, y equivalentes molares de Al²0s de acuerdo con la siguiente fórmula:

s(1 - 2 x)T/A/ s xThAl + 2(1 x)A2O3.

en donde x varía de 0,04 a 0,20.

En algunas modalidades, x es 0,20.

En algunas modalidades, x es 0,18 o aproximadamente 0,18.

En algunas modalidades, x es 0,16 o aproximadamente 0,16.

En algunas modalidades, x es 0,14 o aproximadamente 0,14.

En algunas modalidades, x es 0,12 o aproximadamente 0,12.

En algunas modalidades, x es 0,10 o aproximadamente 0,10.

En algunas modalidades, x es 0,08 o aproximadamente 0,08.

En algunas modalidades, x es 0,06 o aproximadamente 0,06.

En algunas modalidades, x es 0,04.

En algunas modalidades, los compuestos de matriz metálica de la presente descripción pueden comprender: de 1,8 a 2,76 equivalentes molares de TiAl; de 0,12 a 0,6 equivalentes molares de TisAl; y de 2,08 a 2,4 equivalentes molares de

En algunas modalidades, los compuestos de matriz metálica de la presente descripción pueden incluir elementos de aleación adicionales, que incluyen, entre otros, uno o más de boro (B), carbono (C), cromo (Cr), manganeso (Mn), silicio (Si) y vanadio (V).

La porosidad de la matriz metálica es de 2 % o menos.

En algunas modalidades, la porosidad de los compuestos de matriz metálica puede ser de aproximadamente 1 % o menos.

En algunas modalidades, la porosidad de los compuestos de matriz metálica puede ser de aproximadamente 2 %, 1,9 %, 1,8 %, 1,7 %, 1,6 %, 1,5 %, 1,4 %, 1,3 %, 1,2 %, 1,1 %, 1,0 %, 0,9 %, 0,8 %, 0,7 %, 0,6 %, 0,5 %, 0,4 %, 0,3 %, 0,2 % o 0,1 %.

Con el fin de hacer el compuesto de la presente descripción, se puede realizar una reacción exotérmica mediante el uso de aluminio y dióxido de titanio como reactivos. En consecuencia, la presente invención proporciona un método para fabricar un compuesto de matriz metálica, el compuesto de matriz metálica comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, en donde la matriz de aleación de aluminuro de titanio comprende al menos dos fases de aluminuro de titanio, y en donde el porcentaje atómico de aluminio en la matriz de aleación de aluminuro de titanio varía de 40,0 % a 48,0 %. El método comprende: proporcionar una mezcla de aluminio reactivo y dióxido de titanio en cantidades no estequiométricas; calentar la mezcla para hacer que el aluminio reaccione con el dióxido de titanio en una reacción exotérmica; y enfriar la mezcla para obtener el compuesto de matriz metálica.

Refiriéndose ahora a la Figura 1, se muestra un método 10 para preparar un compuesto de matriz metálica 15 que comprende una aleación de aluminuro de titanio con una fase de óxido de aluminio formada in situ. El método 10 puede comprender una primera etapa que comprende proporcionar y mezclar aluminio particulado 12, con dióxido de titanio particulado 11, en donde el aluminio particulado 12 y el dióxido de titanio particulado 11 se proporcionan en cantidades no estequiométricas, para formar una mezcla particulada 13 que comprende aluminio en partículas y dióxido de titanio en partículas. El método 10 puede comprender a continuación una segunda etapa que comprende aumentar la temperatura de la mezcla de partículas 13 a una temperatura suficientemente alta para hacer que el aluminio reaccione con el dióxido de titanio en una reacción exotérmica y obtener una mezcla de reacción caliente 14, y en donde se forman aluminuro de titanio de reacción y óxido de aluminio. El método 10 puede comprender a continuación una tercera etapa, enfriar la mezcla de reacción caliente 14 para formar el compuesto de matriz metálica 15 que comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ.

Para iniciar los métodos de la presente descripción, en algunas modalidades de la misma, se pueden proporcionar u obtener partículas de aluminio. En algunas modalidades, las partículas de aluminio se pueden proporcionar en una forma elemental sin alear más o menos pura, por ejemplo, se puede proporcionar aluminio de calidad industrial. Los niveles de pureza del aluminio pueden variar algo, pero en general se prefieren formas de aluminio muy puras, por ejemplo, aluminio no aleado sustancialmente puro, es decir, aluminio que tiene una pureza de aproximadamente 99,9 % o aproximadamente 99,99 %. En otras modalidades, el aluminio se proporciona en forma de aleación de aluminio.

Los elementos de aleación que pueden usarse de acuerdo con la presente incluyen boro (B), carbono (C), cromo (Cr), manganeso (Mn), silicio (Si) y vanadio (V). En algunas modalidades, los elementos de aleación se pueden proporcionar en cantidades tales que el porcentaje combinado de los elementos de aleación no exceda aproximadamente el 10 por ciento en peso de la aleación de aluminio. Más preferentemente, los elementos de aleación se pueden proporcionar en cantidades tales que el porcentaje combinado no exceda aproximadamente el 3 por ciento en peso de la aleación de aluminio.

De acuerdo con la presente descripción, el tamaño de partícula del aluminio en partículas puede variar. En algunas modalidades, el tamaño de partícula de aluminio es sustancialmente mayor que el tamaño de partícula del dióxido de titanio en partículas. El tamaño de partícula se refiere al tamaño medio de partícula de aluminio o dióxido de titanio, según sea el caso. En algunas modalidades, las partículas de aluminio se pueden seleccionar para que tengan un tamaño medio de partícula mayor de aproximadamente 1 pm y menor de aproximadamente 100 pm, y más preferentemente entre aproximadamente 5 pm y unos 20 pm. Se prefiere además que las partículas de aluminio se seleccionen para que tengan un tamaño homogéneo, es decir, las partículas tengan un tamaño de partícula medio estrechamente centrado, por ejemplo, un tamaño de partícula en donde el 90 % de las partículas tengan un tamaño de partícula que no exceda ± 20 % del tamaño medio de partícula, más preferentemente, sin exceder ± 10 %, y con mayor preferencia sin exceder ± 5 % del tamaño medio de partícula.

En algunas modalidades de los métodos de la presente descripción, se puede proporcionar u obtener dióxido de titanio en partículas. En algunas modalidades, el dióxido de titanio se proporciona en forma de dióxido de titanio más o menos puro en forma de partículas, por ejemplo, dióxido de titanio de calidad industrial. Los niveles de pureza de las partículas de dióxido de titanio pueden variar, pero preferentemente son al menos aproximadamente del 98 %. Las partículas de dióxido de titanio se pueden proporcionar en cualquier forma mineral. Las formas minerales que pueden usarse incluyen, por ejemplo, anatasa, rutilo o brookita; sin embargo, se usan preferentemente composiciones de dióxido de titanio que comprenden como mínimo aproximadamente un 95 % de forma de rutilo, más preferentemente como mínimo aproximadamente un 98 % de forma de rutilo y con mayor preferencia aproximadamente un 100 % de forma de rutilo. El tamaño de las partículas de dióxido de titanio puede variar, sin embargo, como se indicó anteriormente, en algunas modalidades el tamaño de las partículas de dióxido de titanio se selecciona para que sea sustancialmente más pequeño que el tamaño de las partículas de aluminio. En algunas modalidades, el tamaño medio de partícula de dióxido de titanio puede ser al menos 10X; al menos 20X; al menos 25X o al menos 50X más pequeño que el tamaño medio de partícula de aluminio. En algunas modalidades, las partículas de dióxido de titanio se seleccionan para que tengan un tamaño medio de partícula mayor de aproximadamente 0,1 pm y más pequeño que aproximadamente 1 pm, y más preferentemente entre aproximadamente 0,3 pm y aproximadamente 0,4 pm. Se prefiere además, que las partículas de dióxido de titanio se seleccionen para que tengan un tamaño homogéneo, es decir, las partículas preferentemente tengan un tamaño de partícula medio estrechamente centrado, por ejemplo, un tamaño de partícula en donde el 90 % de las partículas tengan un tamaño de partícula que no exceda ± 20 % del tamaño medio de partícula, más preferentemente sin exceder ± 10 %, y con mayor preferencia sin exceder ± 5 % del tamaño medio de partícula.

A continuación, las partículas de aluminio y las partículas de dióxido de titanio pueden ponerse en contacto y mezclarse. De acuerdo con la presente, las cantidades relativas de aluminio y dióxido de titanio usadas para preparar la mezcla pueden variar, siempre que las cantidades de aluminio y dióxido de titanio se proporcionen en cantidades no estequiométricas, con referencia a la reacción química (I):

7 Al + 3TiO2 ^ 3TÍAI + 2AI2O3O).

De acuerdo con la presente invención, los equivalentes molares de reactivos de aluminio y dióxido de titanio usados para sintetizar el compuesto de matriz metálica varían de acuerdo con la siguiente fórmula:

(7 x)AI + 3(1 x)TiO2 ^ 3(1 - 2x)TiAI + 3 xThAI + 2(1 x)AhO3,

en donde x varía de 0,04 a 0,20.

En algunas modalidades, los equivalentes molares de aluminio usados pueden variar de 7,04 equivalentes molares a 7,20 equivalentes molares, y las cantidades molares de dióxido de titanio pueden variar de 3,12 equivalentes molares a 3,60 equivalentes molares.

En algunas modalidades, se pueden usar las cantidades de aluminio reactivo y dióxido de titanio indicadas en la Tabla 2.

Tabla 2

En algunas modalidades, el aluminio en partículas, u opcionalmente la aleación de aluminio, se puede poner en contacto con el dióxido de titanio en partículas y las partículas se pueden mezclar o combinar para obtener una mezcla más o menos homogénea que comprende partículas de aluminio y dióxido de titanio. Un dispositivo mecánico, por ejemplo, un dispositivo de fresado mecánico, por ejemplo, un molino de bolas, puede usarse para mezclar las partículas. Además, en algunas modalidades, para facilitar el mezclado de partículas, las partículas se pueden recubrir, por ejemplo, con un disolvente, tal como acetona.

El contacto y la mezcla de las dos partículas se pueden realizar a temperatura ambiente. La mezcla de aluminio con las partículas de titanio se puede realizar en cualquier recipiente adecuado, que incluye cualquier contenedor o recipiente capaz de resistir las temperaturas usadas de acuerdo con la presente, lo que facilita el calentamiento posterior de la mezcla de partículas. Dichos recipientes pueden incluir recipientes hechos de material resistente al calor, por ejemplo porcelana, grafito o un metal inerte.

En algunas modalidades, el aluminio en partículas y un dióxido de titanio en partículas se pueden mezclar y posteriormente compactar. Tal compactación se puede lograr mediante el uso de una matriz de prensa mecánica, es decir, un manguito metálico para contener la mezcla de polvo y un cilindro que encaja en el manguito y es capaz de presionar el polvo. La cantidad de fuerza aplicada puede variar, pero es como mínimo una cantidad de fuerza suficiente para hacer que la mezcla de partículas se adhiera a un cuerpo sólido. A este respecto, se puede aplicar una fuerza de, por ejemplo, aproximadamente 1 MPa a aproximadamente 1000 MPa, mediante el uso de, por ejemplo, un dispositivo de presión hidráulica. En otras modalidades, se puede usar un dispositivo de granulación para compactar el polvo en, por ejemplo, bolitas o esferas. En algunas modalidades, la mezcla se puede compactar a temperatura ambiente. En otras modalidades, la mezcla se puede compactar a una temperatura elevada, por ejemplo, al calentar la mezcla a, por ejemplo, aproximadamente 100 °C, 200 °C, 300 °C, 350 °C, o 400 °C, y luego ejercer presión sobre la mezcla caliente.

A continuación, se puede calentar la mezcla de partículas. Para realizar una reacción exotérmica, tal como una reacción SHS, se puede aumentar la temperatura de la mezcla de partículas. En general, esto implica calentar la mezcla a una primera temperatura superior a la temperatura de fusión del aluminio. Las temperaturas de fusión pueden variar algo, en dependencia de, por ejemplo, si se usa aluminio sin alear o aleado, pero típicamente son al menos 660 °C, o aproximadamente 660 °C. En algunas modalidades, el aluminio o la aleación de aluminio se puede calentar a una temperatura de entre 700 °C o aproximadamente 700 °C, en otras modalidades a 800 °C o aproximadamente 800 °C, y en otras modalidades más a una temperatura de entre 725 °C o aproximadamente 725 °C, y 775 °C, o aproximadamente 775 °C, para obtener aluminio fundido, u opcionalmente una aleación de aluminio. En algunas modalidades, la temperatura de la mezcla puede aumentarse hasta al menos la temperatura de fusión del aluminio, y la temperatura y se mantiene durante un período al menos lo suficientemente largo como para provocar la fusión de todo, o sustancialmente todo, el aluminio presente dentro del mezcla. Posteriormente, la temperatura de la mezcla se puede aumentar más hasta una segunda temperatura suficientemente alta para iniciar una reacción exotérmica entre los reactivos. La temperatura para iniciar la reacción exotérmica puede variar, pero generalmente es una temperatura superior a 800 °C, por ejemplo, aproximadamente 825 °C, 850 °C o aproximadamente 900 °C. Se observa que, en particular, cuando se usan partículas de aluminio muy pequeñas, la temperatura suficiente para iniciar una reacción exotérmica puede estar cerca de la temperatura de fusión del aluminio, lo que implica que la reacción exotérmica puede ocurrir cuando la temperatura de la mezcla de reacción se eleva por encima de 660 °C. Para calentar la mezcla de partículas se puede usar cualquier dispositivo o proceso de calentamiento adecuado, por ejemplo, un horno metalúrgico o un horno de calentamiento.

En algunas modalidades, las condiciones de reacción practicadas en la presente pueden establecerse para permitir que la temperatura de la mezcla de reacción alcance al menos la a temperatura de transición (Ta), por ejemplo, una temperatura entre aproximadamente 1125 °C y 1400 °C, sin embargo, se pueden alcanzar temperaturas tan altas como 2000 °C. Se observa que la reacción química (I) representa una reacción química exotérmica que tiene un AHr de - 627 kJ/mol, lo que da como resultado la liberación de energía en forma de calor, por tanto la temperatura de la mezcla puede aumentar muy por encima de la temperatura que puede proporcionar una fuente de calor externa, como un horno.

Refiriéndose ahora a las Figuras 2A y 2B, se muestra en ellas un diagrama de fase de ejemplo y la Ta (ver: línea XY en la Figura 2B) para un compuesto de aluminuro de titanio que tiene varios porcentajes atómicos de aluminio, notablemente entre 40 % y 48 %. A partir del diagrama de fases de ejemplo (Figura 2A), se puede determinar que en dependencia del porcentaje atómico de aluminio seleccionado, de acuerdo con algunas modalidades, se pueden establecer las condiciones de reacción para permitir que la temperatura de la mezcla alcance al menos entre 1125 °C (porcentaje atómico de aluminio 40 %) y 1375 °C (porcentaje atómico de aluminio 48 %).

En algunas modalidades, la temperatura de la mezcla de reacción puede aumentarse a presión ambiente o atmosférica.

De acuerdo con la presente invención, la temperatura de la mezcla de reacción se aumenta bajo presión por encima de la presión ambiental, por ejemplo, al ejercer una presión de al menos 1 MPa, al menos 10 MPa, al menos 100 MPa o al menos 1000 MPa sobre la mezcla, mediante el uso por ejemplo una prensa hidráulica.

Después de la modalidad de la reacción exotérmica, el material formado se puede enfriar, por ejemplo, por debajo de la Ta, y a medida que la temperatura del material pasa a través de la Ta, se pueden formar TiAl y TisAl y un compuesto sólido que comprende una fase de titanio de aluminuro de aleación y una fase de óxido de aluminio formado in situ, más o menos dispersa homogéneamente en el mismo, pueden ser obtenidos. A continuación, la temperatura del material se puede reducir a temperatura ambiente. Rara vez se ha observado la aparición de fallos catastróficos del material durante el enfriamiento de los compuestos de matriz metálica de la presente descripción. Por tanto, estará claro que los compuestos de matriz metálica de la presente descripción se pueden preparar al realizar reacciones SHS. Las técnicas usadas para llevar a cabo una reacción SHS de acuerdo con el presente, incluida la disposición de las piezas y herramientas, las condiciones de reacción, los detalles y el orden de funcionamiento, pueden variar. Algunas técnicas para llevar a cabo reacciones SHS que se pueden usar, de acuerdo con la presente, se detallan en las Patentes de los Estados Unidos Nos. 4,916,029 (Nagle y otros), 5,059,490 (Brupbacher y otros), y 6,955,532 (Zhu y otros), Publicación de Patente PCT No. WO 02/053316 (Lintunen y otros), y Horvitz y otros, 2002, J. European Ceramic Society 22, 947-954, así como también las técnicas descritas en las Solicitudes de Patente de los Estados Unidos Nos. 62/331, 507, 62/331, 526 y/o 62/331, 570, o cualquier solicitud de patente o patente que de ella se derive prioridad.

Las cantidades de TiAl y ThAl y Ah03 formado in situ pueden variar en función del porcentaje atómico de aluminio, como se indicó anteriormente de acuerdo con la siguiente fórmula:

3(1 - 2x)TiAl + 3 xThAl + 2(1 x)AhO3,

en donde x varía de 0,04 a 0,20. Por tanto, en algunas modalidades, un compuesto de la presente descripción puede comprender de 1,8 a 2,76 equivalentes molares de TiAl; de 0,12 a 0,6 equivalentes molares de ThAl; y de 2,08 a 2,4 equivalentes molares de Ah03.

Se puede decir que los compuestos sólidos de la presente descripción se caracterizan por tener una porosidad muy baja, notablemente alrededor del 2 % o menos, por ejemplo, 1,9 %, 1,8 %, 1,7 %, 1,6 %, 1,5 %, 1,4 %, 1,3 %, 1,2 %, 1,1 %, 1,0 %, 0,9 %, 0,8 %, 0,7 %, 0,6 %, 0,5 %, 0,4 %, 0,3 %, 0,2 % o 0,1 %.

Los compuestos de la presente descripción se pueden usar para fabricar una amplia gama de artículos de fabricación, incluidos artículos de fabricación de cualquier dimensión geométrica, por ejemplo, al llevar a cabo la reacción SHS en una matriz de dimensiones geométricas deseadas.

Por consiguiente, la presente descripción incluye además usos de compuestos de matriz metálica para fabricar un artículo. En algunas modalidades, el artículo de fabricación puede ser una pieza de automóvil. En algunas modalidades, el artículo de fabricación puede ser una pieza aeronáutica. En algunas modalidades, el artículo de fabricación puede ser una pieza de armería.

Como puede apreciarse ahora, los métodos descritos en este documento se pueden usar para fabricar compuestos de matriz metálica, en donde el compuesto tiene una porosidad muy baja, es decir, 2 % o menos, y en donde la aparición de fallas catastróficas es rara.

Por supuesto, las modalidades de ejemplo de la presente solicitud descritas anteriormente están destinadas a ser solo ilustrativas y de ninguna manera limitantes. Las modalidades descritas son susceptibles de muchas modificaciones de forma, disposición de piezas, detalles y orden de funcionamiento. La presente descripción, más bien, pretende abarcar todas estas modificaciones dentro de su alcance, tal como se define en las reivindicaciones, a las que se les debe dar una interpretación amplia coherente con la descripción en su conjunto.

La descripción anterior generalmente describe varios aspectos de los métodos y composiciones de la presente descripción. Se puede obtener una comprensión más completa al hacer referencia a los siguientes ejemplos específicos. Estos ejemplos se describen únicamente con fines ilustrativos y no pretenden limitar el alcance de la descripción. Se contemplan cambios de forma y sustitución de equivalentes según las circunstancias lo sugieran o lo hagan oportuno. Aunque en la siguiente descripción se han empleado términos específicos, dichos términos están pensados en un sentido descriptivo y no con fines de limitación.

Ejemplos

Ejemplo 1 - Composición de la matriz Ti-46,5AI

Se realizó un experimento con el objetivo de producir un compuesto de matriz metálica que comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, con la aleación que comprende una fase de TiAl y una fase de TisAl, en donde el porcentaje atómico de aluminio en la aleación es de 46,5 %. La formulación de los materiales reactivos necesarios para lograr la composición deseada se determinó mediante:

(7 x)Al + 3(1 x)TiO2 ^ 3(1 - 2x)TiAl + 3 xThAl + 2(1 x)AhO3,

donde x es igual a 0,07, lo que produce:

7,07Al + 3,21 TO2 ^ 2,58TiAl 0,21 Ti3Al + 2J4AI2O3.

De acuerdo con esta ecuación, se estima que la matriz de aleación de aluminuro de titanio resultante de esta formulación y producida por la reacción contiene un porcentaje atómico total de aluminio de 46,5 % y 15,65 % en peso de fase de Ti3Al.

En consecuencia, 426,6 g de polvo de aluminio con un tamaño medio de 6 pm se mezcló con 573,4 g de polvo de dióxido de titanio (98 % de rutilo) con un tamaño medio de partícula de 0,35 pm, en un molino de tarro de 5 l que contiene 750 ml de acetona y 500 g de bolas de óxido de aluminio (también conocido como medio de molienda) de 1 cm de tamaño, durante 4 horas a una velocidad de rotación de 275 revoluciones por minuto. Después de las 4 horas de molienda, se eliminó la acetona de la mezcla mediante el uso de un evaporador rotatorio hasta que la mezcla tuvo la consistencia de una pasta. Después, la mezcla se dejó secar en un horno de convección por gravedad durante 24 horas a una temperatura de 150 °C. Después de secar, la mezcla se pasó a través de un tamiz grueso para eliminar el medio de molienda y luego se pasó a través de un tamiz con un tamaño de pantalla de malla -325 para romper cualquier aglomerado y se almacenó en un recipiente sellado.

Para hacer la preforma, se colocó 60 g de la mezcla de polvo en una herramienta compactadora cilíndrica con un diámetro de 50,8 mm y se sometió a una tensión aplicada en la dirección del eje del cilindro de 28 MPa durante un tiempo de 3 minutos. A continuación, se retiró la preforma de la herramienta de compactación y se colocó en un horno de túnel con una atmósfera de argón a 720 °C durante 1 hora. A continuación, la preforma se retiró del horno de túnel y se colocó en una prensa hidráulica vertical dentro de una herramienta de acero calentada a 720 °C, con el eje del cilindro de la preforma paralelo al eje de la prensa. A continuación, se aplicó una tensión de 90 Mpa a la herramienta calentada y a la preforma durante un período de 6 segundos, tiempo durante el cual se activó la reacción y el producto reactivo (el compuesto de matriz de aluminuro de titanio) se compactó adicionalmente para formar un disco del compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio.

Inmediatamente después de la compactación, se abrió la herramienta y se retiró el disco, se cubrió con aislamiento de fibra de silicato de aluminio y se dejó enfriar a temperatura ambiente. En particular, el disco estaba intacto al retirarlo y permaneció intacto mientras se enfriaba a temperatura ambiente. Se midió la densidad del compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio y se encontró que era de 3,940 g/cm3, con una porosidad del 0,4 % en comparación con la densidad teórica de 3,956 g/cm3 para el compuesto.

Ejemplo 2 - Composición de la matriz Ti-44AI

Se realizó un experimento con el objetivo de producir un compuesto de matriz metálica que comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, con la aleación que comprende una fase de TiAl y una fase de TisAl, en donde el porcentaje atómico de aluminio en la aleación es de 44 %. La formulación de los materiales reactivos necesarios para lograr la composición deseada se determinó mediante:

(7 x)Al + 3(1 x)TiO2 ^ 3(1 - 2x)TiAl + 3 xThAl + 2(1 x)Ah03,

donde x es igual a 0,12, lo que produce:

7,12Al 3,36702^ 2,287iAl + 0,36TÍ3Al + 2,24Al2O3.

De acuerdo con esta ecuación, se estima que la matriz de aleación de aluminuro de titanio resultante de esta formulación y producida por la reacción contiene un porcentaje atómico total de aluminio de 44 % y 26,46 % de fase Ti3Al en peso.

En consecuencia, 417,2 g de polvo de aluminio con un tamaño medio de 25 pm se mezcló con 582,8 g de polvo de dióxido de titanio (98 % de rutilo) con un tamaño medio de partícula de 0,35 pm, en un molino de tarro de 5 l que contiene 750 ml de acetona y 500 g de bolas de óxido de aluminio (también conocidas como medios de molienda) de 1 cm de tamaño, durante 4 horas a una velocidad de rotación de 275 revoluciones por minuto. Después de las 4 horas de molienda, se eliminó la acetona de la mezcla mediante el uso de un evaporador rotatorio hasta que la mezcla tuvo la consistencia de una pasta. Después, la mezcla se dejó secar en un horno de convección por gravedad durante 24 horas a una temperatura de 150 °C. Después de secar, la mezcla se pasó a través de un tamiz grueso para eliminar el medio de molienda y luego se pasó a través de un tamiz con un tamaño de pantalla de malla -325 para romper cualquier aglomerado y se almacenó en un recipiente sellado.

Para realizar la preforma, se colocó 60 g de la mezcla de polvo en una herramienta compactadora cilindrica con un diámetro de 50,8 mm, y se sometió a una tensión aplicada en la dirección del eje del cilindro de 28 MPa durante un tiempo de 3 minutos. A continuación, se retiró la preforma de la herramienta de compactación y se colocó en un horno de túnel con una atmósfera de argón a 720 °C durante 1 hora. A continuación, la preforma se retiró del horno de túnel y se colocó en una prensa hidráulica vertical dentro de una herramienta de acero calentada a 720 °C, con el eje del cilindro de la preforma paralelo al eje de la prensa. Luego se aplicó una tensión de 90 MPa a la herramienta calentada y a la preforma durante un período de 6 segundos, tiempo durante el cual se activó la reacción y el producto reactivo (el compuesto de matriz de aluminuro de titanio) se compactó adicionalmente para formar un disco de compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio.

Inmediatamente después de la compactación, se abrió la herramienta y se retiró el disco, se cubrió con aislamiento de fibra de silicato de aluminio y se dejó enfriar a temperatura ambiente. En particular, el disco estaba intacto al retirarlo y permaneció intacto mientras se enfriaba a temperatura ambiente. Se midió la densidad del compuesto de la matriz de aleación de aluminuro de titanio y se encontró que era de 3,956 g/cm3, con una porosidad de 0,86 % en comparación con la densidad teórica de 3,990 g/cm3 del compuesto.

Ejemplo 3 - Composición de la matriz Ti-50Al (Ejemplo Comparativo)

Se realizó un experimento con el objetivo de producir un compuesto de matriz metálica que comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, con la aleación que comprende una fase de TiAl y una fase de ThAl, donde el porcentaje atómico de aluminio en el la aleación es de 50 %. La formulación de los materiales reactivos necesarios para lograr la composición deseada se determinó mediante:

(7 x)Al + 3(1 x)7i02^ 3(1 - 2x)7iAl + 3 xThAl + 2(1 x)Ah03,

donde x es igual a 0, lo que produce:

7 Al + 3702^ 37iAl + 2AI2O3.

De acuerdo con esta ecuación, se estima que la matriz de aleación de aluminuro de titanio resultante de esta formulación y producida por la reacción contiene un porcentaje atómico total de aluminio de 50 % y ninguna fase de TisAl.

En consecuencia, 440,8 g de polvo de aluminio con un tamaño medio de 6 pm se mezcló con 559,2 g de polvo de dióxido de titanio (98 % de rutilo) con un tamaño medio de partícula de 0,35 pm, en un molino de tarro de 5 l que contiene 750 ml de acetona y 500 g de bolas de óxido de aluminio (también conocidas como medios de molienda) de 1 cm de tamaño, durante 4 horas a una velocidad de rotación de 275 revoluciones por minuto. Después de las 4 horas de molienda, se eliminó la acetona de la mezcla mediante el uso de un evaporador rotatorio hasta que la mezcla tuvo la consistencia de una pasta. Después, la mezcla se dejó secar en un horno de convección por gravedad durante 24 horas a una temperatura de 150 °C. Después de secar, la mezcla se pasó a través de un tamiz grueso para eliminar el medio de molienda y luego se pasó a través de un tamiz con un tamaño de pantalla de malla -325 para romper cualquier aglomerado y se almacenó en un recipiente sellado.

Para hacer la preforma, se colocó 60 g de la mezcla de polvo en una herramienta compactadora cilindrica con un diámetro de 50,8 mm y se sometió a una tensión aplicada en la dirección del eje del cilindro de 28 MPa durante un tiempo de 3 minutos. A continuación, se retiró la preforma de la herramienta de compactación y se colocó en un horno de túnel con una atmósfera de argón a 720 °C durante 1 hora. A continuación, la preforma se retiró del horno de túnel y se colocó en una prensa hidráulica vertical dentro de una herramienta de acero calentada a 720 °C, con el eje del cilindro de la preforma paralelo al eje de la prensa. A continuación, se aplicó una tensión de 90 Mpa a la herramienta calentada y a la preforma durante un período de 6 segundos, tiempo durante el cual se activó la reacción y el producto reactivo (el compuesto de matriz de aluminuro de titanio) se compactó adicionalmente para formar un disco del compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio.

Inmediatamente después de la compactación, se abrió la herramienta y se retiró el disco, se cubrió con aislamiento de fibra de silicato de aluminio y se dejó enfriar a temperatura ambiente. En particular, el disco estaba intacto al retirarlo, pero falló catastróficamente aproximadamente 30 segundos después de retirarlo de la herramienta debido a la tensión residual durante el enfriamiento.

Ejemplo 4: Composición de la matriz Ti-52Al (Ejemplo Comparativo)

Se realizó un experimento con el objetivo de producir un compuesto de matriz metálica que comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, con la aleación que comprende una fase de TiAl y una fase de TiaAl, donde el porcentaje atómico de aluminio en el la aleación es de 52 %. La formulación de los materiales reactivos necesarios para lograr la composición deseada se determinó mediante:

(7 x)Al + 3(1 x)TiO2 ^ [3(1 x)TiAl - 6xAl] + 2(1 x)AhO3,

donde x es igual a -0,04, y el producto de aluminio (Al) estará en la solución sólida de TiAl, que produce:

6,96Al + 2,88TiO2^ [2,88TiAl + 0,24Al] 1,92AhO3.

De acuerdo con esta ecuación, se estima que la matriz de aleación de aluminuro de titanio resultante de esta formulación y producida por la reacción contiene un porcentaje atómico total de aluminio de 52 %, sin fase de TiaAl y aluminio elemental en la solución sólida de aluminuro de titanio a una porcentaje atómico de 2 %.

En consecuencia, 449,5 g de polvo de aluminio con un tamaño medio de 6 pm se mezcló con 550,5 g de polvo de dióxido de titanio (98 % de rutilo) con un tamaño medio de partícula de 0,35 mm, en un molino de tarro de 5 l que contiene 750 ml de acetona y 500 g de bolas de óxido de aluminio (también conocido como medio de molienda) de 1 cm de tamaño, durante 4 horas a una velocidad de rotación de 275 revoluciones por minuto. Después de las 4 horas de molienda, se eliminó la acetona de la mezcla mediante el uso de un evaporador rotatorio hasta que la mezcla tuvo la consistencia de una pasta. Después, la mezcla se dejó secar en un horno de convección por gravedad durante 24 horas a una temperatura de 150 °C. Después de secar, la mezcla se pasó a través de un tamiz grueso para eliminar el medio de molienda y luego se pasó a través de un tamiz con un tamaño de pantalla de malla -325 para romper cualquier aglomerado y se almacenó en un recipiente sellado.

Para hacer la preforma, se colocó 60 g de la mezcla de polvo en una herramienta compactadora cilindrica con un diámetro de 50,8 mm y se sometió a una tensión aplicada en la dirección del eje del cilindro de 28 MPa durante un tiempo de 3 minutos. A continuación, se retiró la preforma de la herramienta de compactación y se colocó en un horno de túnel con una atmósfera de argón a 720 °C durante 1 hora. A continuación, la preforma se retiró del horno de túnel y se colocó en una prensa hidráulica vertical dentro de una herramienta de acero calentada a 720 °C, con el eje del cilindro de la preforma paralelo al eje de la prensa. Luego se aplicó una tensión de 90 MPa a la herramienta calentada y a la preforma durante un período de 6 segundos, tiempo durante el cual se activó la reacción y el producto reactivo (el compuesto de matriz de aluminuro de titanio) se compactó adicionalmente para formar un disco de compuesto de matriz de aleación de aluminuro de titanio.

Inmediatamente después de la compactación, se abrió la herramienta y se retiró el disco, se cubrió con aislamiento de fibra de silicato de aluminio y se dejó enfriar a temperatura ambiente. En particular, el disco había fallado catastróficamente en la herramienta antes de su extracción.

Si bien la descripción anterior proporciona ejemplos de uno o más aparatos, métodos y/o composiciones, se apreciará que el alcance de las reivindicaciones no debe estar limitado por las modalidades preferidas establecidas en los ejemplos, sino que debe recibir la interpretación más amplia consistente con la descripción en su conjunto.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un compuesto de matriz metálica, que comprende:

una matriz de aleación de aluminuro de titanio; y

un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ,

en donde la matriz de aleación de aluminuro de titanio comprende al menos dos fases de aluminuro de titanio, y

en donde el porcentaje atómico de aluminio en la matriz de aleación de aluminuro de titanio varía de 40,0 % a 48,0 %,

en donde las cantidades de las fases de aluminuro de titanio en forma de TiAl y ThAl y la fase de óxido de aluminio en forma de AhO3 se seleccionan en equivalentes molares de acuerdo con la siguiente fórmula:

3(1 - 2x)TiAl + 3 xThAl + 2(1 x)A2O3.

en donde x varía de 0,04 a 0,20, y

en donde la porosidad es 2 % o menos según se determina al comparar la densidad medida con la densidad teórica del compuesto.

2. El compuesto de matriz metálica de la reivindicación 1, en donde el porcentaje en peso de Ti3Al de la matriz de aleación de aluminuro de titanio varía de 9,02 % a 43,17 %.

3. El compuesto de matriz metálica de la reivindicación 1 o 2, en donde la porosidad es de 1 % o menos según se determina al comparar la densidad medida con la densidad teórica del compuesto.

4. Un uso del compuesto de matriz metálica de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en un artículo de fabricación.

5. El uso de la reivindicación 4, en donde el artículo de fabricación es una pieza de automóvil, una pieza de armería o una pieza aeronáutica.

6. Un método para fabricar un compuesto de matriz metálica, el compuesto de matriz metálica comprende una matriz de aleación de aluminuro de titanio y un refuerzo de óxido de aluminio formado in situ, en donde la matriz de aleación de aluminuro de titanio comprende al menos dos fases de aluminuro de titanio, y en donde el porcentaje atómico de aluminio en la matriz de aleación de aluminuro de titanio varía de 40,0 % a 48,0 %, en donde las cantidades de las fases de aluminuro de titanio en forma de TiAl y Ti3Al y la fase de óxido de aluminio en forma de AhO3 se seleccionan en equivalentes molares de acuerdo con la fórmula siguiente; el método comprende:

proporcionar una mezcla de aluminio reactivo y dióxido de titanio en cantidades no estequiométricas seleccionadas en equivalentes molares de acuerdo con la siguiente fórmula:

(7 x)Al + 3(1 x)TiO2 ^ 3(1 - 2x)TiAl + 3 xThAl + 2(1 x)A2O3.

en donde x varía de 0,04 a 0,20;

calentar la mezcla a una temperatura superior a la temperatura de fusión del aluminio a una presión superior a la presión ambiental y hacer que el aluminio reaccione con el dióxido de titanio en una reacción exotérmica; y enfriar la mezcla para obtener el compuesto de matriz metálica,

en donde el compuesto de matriz metálica tiene una porosidad de 2 % o menos según se determina al comparar la densidad medida con la densidad teórica del compuesto.

7. El método de la reivindicación 6, en donde la etapa de calentamiento comprende calentar la mezcla a una primera temperatura para provocar la fusión del aluminio en la mezcla.

8. El método de la reivindicación 7, en donde la etapa de calentamiento comprende calentar la mezcla a una segunda temperatura para iniciar la reacción exotérmica.

9. El método de la reivindicación 8, en donde la segunda temperatura es superior a 800 °C.

10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en donde la etapa de calentamiento comprende permitir que la mezcla alcance al menos una a-temperatura de transición de la mezcla durante la reacción exotérmica.

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en donde la etapa de proporcionar comprende proporcionar el aluminio reactivo y el dióxido de titanio en forma de partículas.

12. El método de la reivindicación 11, en donde la etapa de proporcionar comprende compactar las partículas.

13. El método de la reivindicación 12, en donde la etapa de proporcionar comprende calentar las partículas antes o durante la compactación.

14. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13, que comprende añadir al menos un elemento de aleación a la mezcla seleccionada del grupo que consiste en boro, carbono, cromo, manganeso, silicio, vanadio y cualquier combinación de los mismos.

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 14, en donde el compuesto de matriz metálica tiene una porosidad de 1 % o menos según se determina al comparar la densidad medida con la densidad teórica del compuesto.