Una metodología para el estudio de la maquinabilidad de aleaciones de aluminio-cobre

El artículo presenta una metodología para caracterizar las aleaciones de aluminio desde el punto de vista de su maquinabilidad, y que permita a los alumnos de último curso realizar sus proyectos fin de carrera, comparando distintas aleaciones de uso aeronáutico. Para la obtención de las características en cada aleación, los alumnos deben manejar una amplia variedad de equipos: durómetros, básculas, SEM, microscopio óptico, torno, etc., lo que incrementará su formación y adiestramiento.

Desarrollo de nuevos tratamientos térmicos para aleaciones avanzadas de interés aeroespacial

La corrosión bajo tensiones (SCC) es un problema de gran importancia en las aleaciones de aluminio de máxima resistencia (serie Al-Zn-Mg-Cu). La utilización de tratamientos térmicos sobremadurados, en particular el T73, ha conseguido prácticamente eliminar la susceptibilidad a corrosión bajo tensiones en dichas aleaciones pero a costa de reducir su resistencia mecánica. Desde entonces se ha tratado de optimizar simultáneamente ambos comportamientos, encontrándose para ello diversos inconvenientes entre los que destacan: la dificultad de medir experimentalmente el crecimiento de grieta por SCC, y el desconocimiento de las causas y el mecanismo por el cual se produce la SCC. Los objetivos de esta Tesis son mejorar el sistema de medición de grietas y profundizar en el conocimiento de la SCC, con el fin de obtener tratamientos térmicos que aúnen un óptimo comportamiento tanto en SCC como mecánico en las aleaciones de aluminio de máxima resistencia utilizadas en aeronáutica. Para conseguir los objetivos anteriormente descritos se han realizado unos cuarenta tratamientos térmicos diferentes, de los cuales la gran mayoría son nuevos, para profundizar en el conocimiento de la influencia de la microestructura (fundamentalmente, de los precipitados coherentes) en el comportamiento de las aleaciones Al-Zn-Mg-Cu, y estudiar la viabilidad de nuevos tratamientos apoyados en el conocimiento adquirido. Con el fin de obtener unos resultados aplicables a productos o semiproductos de aplicación aeronáutica, los tratamientos térmicos se han realizado a trozos grandes de una plancha de 30 mm de espesor de la aleación de aluminio 7475, muy utilizada en las estructuras aeronáuticas. Asimismo con el objeto de conseguir una mayor fiabilidad de los resultados obtenidos se han utilizado, normalmente, tres probetas de cada tratamiento para los diferentes ensayos realizados. Para la caracterización de dichos tratamientos se han utilizado diversas técnicas: medida de dureza y conductividad eléctrica, ensayos de tracción, calorimetría diferencial de barrido (DSC), metalografía, fractografía, microscopia electrónica de transmisión (MET) y de barrido (MEB), y ensayos de crecimiento de grieta en probeta DCB, que a su vez han permitido hacer una estimación del comportamiento en tenacidad del material. Las principales conclusiones del estudio realizado se pueden resumir en las siguientes: Se han diseñado y desarrollado nuevos métodos de medición de grieta basados en el empleo de la técnica de ultrasonidos, que permiten medir el crecimiento de grieta por corrosión bajo tensiones con la precisión y fiabilidad necesarias para valorar adecuadamente la susceptibilidad a corrosión bajo tensiones. La mejora de medida de la posición del frente de grieta ha dado lugar, entre otras cosas, a la definición de un nuevo ensayo a iniciación en probetas preagrietadas. Asimismo, se ha deducido una nueva ecuación que permite calcular el factor de intensidad de tensiones existente en punta de grieta en probetas DCB teniendo en cuenta la influencia de la desviación del plano de crecimiento de la grieta del plano medio de la probeta. Este aspecto ha sido determinante para poder explicar los resultados experimentales obtenidos ya que el crecimiento de la grieta por un plano paralelo al plano medio de la probeta DCB pero alejado de él reduce notablemente el factor de intensidades de tensiones que actúa en punta de grieta y modifica las condiciones reales del ensayo. Por otro lado, se han identificado los diferentes constituyentes de la microestructura de precipitación de todos los tratamientos térmicos estudiados y, en especial, se ha conseguido constatar (mediante MET y DSC) la existencia de zonas de Guinier-Preston del tipo GP(II) en la microestructura de numerosos tratamientos térmicos (no descrita en la bibliografía para las aleaciones del tipo de la estudiada) lo que ha permitido establecer una nueva interpretación de la evolución de la microestructura en los diferentes tratamientos. Al hilo de lo anterior, se han definido nuevas secuencias de precipitación para este tipo de aleaciones, que han permitido entender mejor la constitución de la microestructura y su relación con las propiedades en los diferentes tratamientos térmicos estudiados. De igual manera, se ha explicado el papel de los diferentes microconstituyentes en diversas propiedades mecánicas (propiedades a tracción, dureza y tenacidad KIa); en particular, el estudio realizado de la relación de la microestructura con la tenacidad KIa es inédito. Por otra parte, se ha correlacionado el comportamiento en corrosión bajo tensiones, tanto en la etapa de incubación de grieta como en la de propagación, con las características medidas de los diferentes constituyentes microestructurales de los tratamientos térmicos ensayados, tanto de interior como de límite de grano, habiéndose obtenido que la microestructura de interior de grano tiene una mayor influencia en el comportamiento en corrosión bajo tensiones que la de límite de grano. De forma especial, se ha establecido la importancia capital, y muy negativa, de la presencia en la microestructura de zonas de Guinier-Preston en el crecimiento de la grieta por corrosión bajo tensiones. Finalmente, como consecuencia de todo lo anterior, se ha propuesto un nuevo mecanismo por el que se produce la corrosión bajo tensiones en este tipo de aleaciones de aluminio, y que de forma muy resumida se puede concretar lo siguiente: la acumulación de hidrógeno (formado, básicamente, por un proceso corrosivo de disolución anódica) delante de la zonas GP (en especial, de las zonas GP(I)) próximas a la zona libre de precipitados que se desarrolla alrededor del límite de grano provoca enfragilización local y causa el rápido crecimiento de grieta característico de algunos tratamientos térmicos de este tipo de aleaciones. ABSTRACT The stress corrosion cracking (SCC) is a major problem in the aluminum alloys of high resistance (series Al-Zn-Mg-Cu). The use of overaged heat treatments, particularly T73 has achieved virtually eliminate the susceptibility to stress corrosion cracking in such alloys but at the expense of reducing its mechanical strength. Since then we have tried to simultaneously optimize both behaviors, several drawbacks found for it among them: the difficulty of measuring experimentally the SCC crack growth, and ignorance of the causes and the mechanism by which SCC occurs. The objectives of this thesis are to improve the measurement system of cracks and deeper understanding of the SCC, in order to obtain heat treatments that combine optimum performance in both SCC and maximum mechanical strength in aluminum alloys used in aerospace To achieve the above objectives have been made about forty different heat treatments, of which the vast majority are new, to deepen the understanding of the influence of microstructure (mainly of coherent precipitates) in the behavior of the alloys Al -Zn-Mg-Cu, and study the feasibility of new treatments supported by the knowledge gained. To obtain results for products or semi-finished aircraft application, heat treatments were performed at a large pieces plate 30 mm thick aluminum alloy 7475, widely used in aeronautical structures. Also in order to achieve greater reliability of the results obtained have been used, normally, three specimens of each treatment for various tests. For the characterization of these treatments have been used several techniques: measurement of hardness and electrical conductivity, tensile testing, differential scanning calorimetry (DSC), metallography, fractography, transmission (TEM) and scanning (SEM) electron microscopy, and crack growth tests on DCB specimen, which in turn have allowed to estimate the behavior of the material in fracture toughness. The main conclusions of the study can be summarized as follows: We have designed and developed new methods for measuring crack based on the use of the ultrasound technique, for measuring the growth of stress corrosion cracks with the accuracy and reliability needed to adequately assess the susceptibility to stress corrosion. Improved position measurement of the crack front has resulted, among other things, the definition of a new initiation essay in pre cracked specimens. Also, it has been inferred a new equation to calculate the stress intensity factor in crack tip existing in DCB specimens considering the influence of the deviation of the plane of the crack growth of the medium plane of the specimen. This has been crucial to explain the experimental results obtained since the crack growth by a plane parallel to the medium plane of the DCB specimen but away from it greatly reduces the stress intensity factor acting on the crack tip and modifies the actual conditions of the essay. Furthermore, we have identified the various constituents of the precipitation microstructure of all heat treatments studied and, in particular note has been achieved (by TEM and DSC) the existence of the type GP (II) of Guinier-Preston zones in the microstructure of several heat treatments (not described in the literature for alloys of the type studied) making it possible to establish a new interpretation of the evolution of the microstructure in the different treatments. In line with the above, we have defined new precipitation sequences for these alloys, which have allowed a better understanding of the formation of the microstructure in relation to the properties of different heat treatments studied. Similarly, explained the role of different microconstituents in various mechanical properties (tensile properties, hardness and toughness KIa), in particular, the study of the relationship between the tenacity KIa microstructure is unpublished. Moreover, has been correlated to the stress corrosion behavior, both in the incubation step as the crack propagation, with the measured characteristics of the various microstructural constituents heat treatments tested, both interior and boundary grain, having obtained the internal microstructure of grain has a greater influence on the stress corrosion cracking behavior in the grain boundary. In a special way, has established the importance, and very negative, the presence in the microstructure of Guinier-Preston zones in crack growth by stress corrosion. Finally, following the above, we have proposed a new mechanism by which stress corrosion cracking occurs in this type of aluminum alloy, and, very briefly, one can specify the following: the accumulation of hydrogen (formed basically by a corrosive process of anodic dissolution) in front of the GP zones (especially the GP (I) zones) near the precipitates free zone that develops around grain boundary causes local embrittlement which characterizes rapid crack growth of some heat treatments such alloys.

Caracterización de un robot para aplicaciones de mecanizado con requerimientos de tolerancias

El presente Trabajo fin Fin de Máster, versa sobre una caracterización preliminar del comportamiento de un robot de tipo industrial, configurado por 4 eslabones y 4 grados de libertad, y sometido a fuerzas de mecanizado en su extremo. El entorno de trabajo planteado es el de plantas de fabricación de piezas de aleaciones de aluminio para automoción. Este tipo de componentes parte de un primer proceso de fundición que saca la pieza en bruto. Para series medias y altas, en función de las propiedades mecánicas y plásticas requeridas y los costes de producción, la inyección a alta presión (HPDC) y la fundición a baja presión (LPC) son las dos tecnologías más usadas en esta primera fase. Para inyección a alta presión, las aleaciones de aluminio más empleadas son, en designación simbólica según norma EN 1706 (entre paréntesis su designación numérica); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). Para baja presión, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). En los 3 primeros casos, los límites de Silicio permitidos pueden superan el 10%. En el cuarto caso, es inferior al 10% por lo que, a los efectos de ser sometidas a mecanizados, las piezas fabricadas en aleaciones con Si superior al 10%, se puede considerar que son equivalentes, diferenciándolas de la cuarta. Las tolerancias geométricas y dimensionales conseguibles directamente de fundición, recogidas en normas como ISO 8062 o DIN 1688-1, establecen límites para este proceso. Fuera de esos límites, las garantías en conseguir producciones con los objetivos de ppms aceptados en la actualidad por el mercado, obligan a ir a fases posteriores de mecanizado. Aquellas geometrías que, funcionalmente, necesitan disponer de unas tolerancias geométricas y/o dimensionales definidas acorde a ISO 1101, y no capaces por este proceso inicial de moldeado a presión, deben ser procesadas en una fase posterior en células de mecanizado. En este caso, las tolerancias alcanzables para procesos de arranque de viruta se recogen en normas como ISO 2768. Las células de mecanizado se componen, por lo general, de varios centros de control numérico interrelacionados y comunicados entre sí por robots que manipulan las piezas en proceso de uno a otro. Dichos robots, disponen en su extremo de una pinza utillada para poder coger y soltar las piezas en los útiles de mecanizado, las mesas de intercambio para cambiar la pieza de posición o en utillajes de equipos de medición y prueba, o en cintas de entrada o salida. La repetibilidad es alta, de centésimas incluso, definida según norma ISO 9283. El problema es que, estos rangos de repetibilidad sólo se garantizan si no se hacen esfuerzos o éstos son despreciables (caso de mover piezas). Aunque las inercias de mover piezas a altas velocidades hacen que la trayectoria intermedia tenga poca precisión, al inicio y al final (al coger y dejar pieza, p.e.) se hacen a velocidades relativamente bajas que hacen que el efecto de las fuerzas de inercia sean menores y que permiten garantizar la repetibilidad anteriormente indicada. No ocurre así si se quitara la garra y se intercambia con un cabezal motorizado con una herramienta como broca, mandrino, plato de cuchillas, fresas frontales o tangenciales… Las fuerzas ejercidas de mecanizado generarían unos pares en las uniones tan grandes y tan variables que el control del robot no sería capaz de responder (o no está preparado, en un principio) y generaría una desviación en la trayectoria, realizada a baja velocidad, que desencadenaría en un error de posición (ver norma ISO 5458) no asumible para la funcionalidad deseada. Se podría llegar al caso de que la tolerancia alcanzada por un pretendido proceso más exacto diera una dimensión peor que la que daría el proceso de fundición, en principio con mayor variabilidad dimensional en proceso (y por ende con mayor intervalo de tolerancia garantizable). De hecho, en los CNCs, la precisión es muy elevada, (pudiéndose despreciar en la mayoría de los casos) y no es la responsable de, por ejemplo la tolerancia de posición al taladrar un agujero. Factores como, temperatura de la sala y de la pieza, calidad constructiva de los utillajes y rigidez en el amarre, error en el giro de mesas y de colocación de pieza, si lleva agujeros previos o no, si la herramienta está bien equilibrada y el cono es el adecuado para el tipo de mecanizado… influyen más. Es interesante que, un elemento no específico tan común en una planta industrial, en el entorno anteriormente descrito, como es un robot, el cual no sería necesario añadir por disponer de él ya (y por lo tanto la inversión sería muy pequeña), puede mejorar la cadena de valor disminuyendo el costo de fabricación. Y si se pudiera conjugar que ese robot destinado a tareas de manipulación, en los muchos tiempos de espera que va a disfrutar mientras el CNC arranca viruta, pudiese coger un cabezal y apoyar ese mecanizado; sería doblemente interesante. Por lo tanto, se antoja sugestivo poder conocer su comportamiento e intentar explicar qué sería necesario para llevar esto a cabo, motivo de este trabajo. La arquitectura de robot seleccionada es de tipo SCARA. La búsqueda de un robot cómodo de modelar y de analizar cinemática y dinámicamente, sin limitaciones relevantes en la multifuncionalidad de trabajos solicitados, ha llevado a esta elección, frente a otras arquitecturas como por ejemplo los robots antropomórficos de 6 grados de libertad, muy populares a nivel industrial. Este robot dispone de 3 uniones, de las cuales 2 son de tipo par de revolución (1 grado de libertad cada una) y la tercera es de tipo corredera o par cilíndrico (2 grados de libertad). La primera unión, de tipo par de revolución, sirve para unir el suelo (considerado como eslabón número 1) con el eslabón número 2. La segunda unión, también de ese tipo, une el eslabón número 2 con el eslabón número 3. Estos 2 brazos, pueden describir un movimiento horizontal, en el plano X-Y. El tercer eslabón, está unido al eslabón número 4 por la unión de tipo corredera. El movimiento que puede describir es paralelo al eje Z. El robot es de 4 grados de libertad (4 motores). En relación a los posibles trabajos que puede realizar este tipo de robot, su versatilidad abarca tanto operaciones típicas de manipulación como operaciones de arranque de viruta. Uno de los mecanizados más usuales es el taladrado, por lo cual se elige éste para su modelización y análisis. Dentro del taladrado se elegirá para acotar las fuerzas, taladrado en macizo con broca de diámetro 9 mm. El robot se ha considerado por el momento que tenga comportamiento de sólido rígido, por ser el mayor efecto esperado el de los pares en las uniones. Para modelar el robot se utiliza el método de los sistemas multicuerpos. Dentro de este método existen diversos tipos de formulaciones (p.e. Denavit-Hartenberg). D-H genera una cantidad muy grande de ecuaciones e incógnitas. Esas incógnitas son de difícil comprensión y, para cada posición, hay que detenerse a pensar qué significado tienen. Se ha optado por la formulación de coordenadas naturales. Este sistema utiliza puntos y vectores unitarios para definir la posición de los distintos cuerpos, y permite compartir, cuando es posible y se quiere, para definir los pares cinemáticos y reducir al mismo tiempo el número de variables. Las incógnitas son intuitivas, las ecuaciones de restricción muy sencillas y se reduce considerablemente el número de ecuaciones e incógnitas. Sin embargo, las coordenadas naturales “puras” tienen 2 problemas. El primero, que 2 elementos con un ángulo de 0 o 180 grados, dan lugar a puntos singulares que pueden crear problemas en las ecuaciones de restricción y por lo tanto han de evitarse. El segundo, que tampoco inciden directamente sobre la definición o el origen de los movimientos. Por lo tanto, es muy conveniente complementar esta formulación con ángulos y distancias (coordenadas relativas). Esto da lugar a las coordenadas naturales mixtas, que es la formulación final elegida para este TFM. Las coordenadas naturales mixtas no tienen el problema de los puntos singulares. Y la ventaja más importante reside en su utilidad a la hora de aplicar fuerzas motrices, momentos o evaluar errores. Al incidir sobre la incógnita origen (ángulos o distancias) controla los motores de manera directa. El algoritmo, la simulación y la obtención de resultados se ha programado mediante Matlab. Para realizar el modelo en coordenadas naturales mixtas, es preciso modelar en 2 pasos el robot a estudio. El primer modelo se basa en coordenadas naturales. Para su validación, se plantea una trayectoria definida y se analiza cinemáticamente si el robot satisface el movimiento solicitado, manteniendo su integridad como sistema multicuerpo. Se cuantifican los puntos (en este caso inicial y final) que configuran el robot. Al tratarse de sólidos rígidos, cada eslabón queda definido por sus respectivos puntos inicial y final (que son los más interesantes para la cinemática y la dinámica) y por un vector unitario no colineal a esos 2 puntos. Los vectores unitarios se colocan en los lugares en los que se tenga un eje de rotación o cuando se desee obtener información de un ángulo. No son necesarios vectores unitarios para medir distancias. Tampoco tienen por qué coincidir los grados de libertad con el número de vectores unitarios. Las longitudes de cada eslabón quedan definidas como constantes geométricas. Se establecen las restricciones que definen la naturaleza del robot y las relaciones entre los diferentes elementos y su entorno. La trayectoria se genera por una nube de puntos continua, definidos en coordenadas independientes. Cada conjunto de coordenadas independientes define, en un instante concreto, una posición y postura de robot determinada. Para conocerla, es necesario saber qué coordenadas dependientes hay en ese instante, y se obtienen resolviendo por el método de Newton-Rhapson las ecuaciones de restricción en función de las coordenadas independientes. El motivo de hacerlo así es porque las coordenadas dependientes deben satisfacer las restricciones, cosa que no ocurre con las coordenadas independientes. Cuando la validez del modelo se ha probado (primera validación), se pasa al modelo 2. El modelo número 2, incorpora a las coordenadas naturales del modelo número 1, las coordenadas relativas en forma de ángulos en los pares de revolución (3 ángulos; ϕ1, ϕ 2 y ϕ3) y distancias en los pares prismáticos (1 distancia; s). Estas coordenadas relativas pasan a ser las nuevas coordenadas independientes (sustituyendo a las coordenadas independientes cartesianas del modelo primero, que eran coordenadas naturales). Es necesario revisar si el sistema de vectores unitarios del modelo 1 es suficiente o no. Para este caso concreto, se han necesitado añadir 1 vector unitario adicional con objeto de que los ángulos queden perfectamente determinados con las correspondientes ecuaciones de producto escalar y/o vectorial. Las restricciones habrán de ser incrementadas en, al menos, 4 ecuaciones; una por cada nueva incógnita. La validación del modelo número 2, tiene 2 fases. La primera, al igual que se hizo en el modelo número 1, a través del análisis cinemático del comportamiento con una trayectoria definida. Podrían obtenerse del modelo 2 en este análisis, velocidades y aceleraciones, pero no son necesarios. Tan sólo interesan los movimientos o desplazamientos finitos. Comprobada la coherencia de movimientos (segunda validación), se pasa a analizar cinemáticamente el comportamiento con trayectorias interpoladas. El análisis cinemático con trayectorias interpoladas, trabaja con un número mínimo de 3 puntos máster. En este caso se han elegido 3; punto inicial, punto intermedio y punto final. El número de interpolaciones con el que se actúa es de 50 interpolaciones en cada tramo (cada 2 puntos máster hay un tramo), resultando un total de 100 interpolaciones. El método de interpolación utilizado es el de splines cúbicas con condición de aceleración inicial y final constantes, que genera las coordenadas independientes de los puntos interpolados de cada tramo. Las coordenadas dependientes se obtienen resolviendo las ecuaciones de restricción no lineales con el método de Newton-Rhapson. El método de las splines cúbicas es muy continuo, por lo que si se desea modelar una trayectoria en el que haya al menos 2 movimientos claramente diferenciados, es preciso hacerlo en 2 tramos y unirlos posteriormente. Sería el caso en el que alguno de los motores se desee expresamente que esté parado durante el primer movimiento y otro distinto lo esté durante el segundo movimiento (y así sucesivamente). Obtenido el movimiento, se calculan, también mediante fórmulas de diferenciación numérica, las velocidades y aceleraciones independientes. El proceso es análogo al anteriormente explicado, recordando la condición impuesta de que la aceleración en el instante t= 0 y en instante t= final, se ha tomado como 0. Las velocidades y aceleraciones dependientes se calculan resolviendo las correspondientes derivadas de las ecuaciones de restricción. Se comprueba, de nuevo, en una tercera validación del modelo, la coherencia del movimiento interpolado. La dinámica inversa calcula, para un movimiento definido -conocidas la posición, velocidad y la aceleración en cada instante de tiempo-, y conocidas las fuerzas externas que actúan (por ejemplo el peso); qué fuerzas hay que aplicar en los motores (donde hay control) para que se obtenga el citado movimiento. En la dinámica inversa, cada instante del tiempo es independiente de los demás y tiene una posición, una velocidad y una aceleración y unas fuerzas conocidas. En este caso concreto, se desean aplicar, de momento, sólo las fuerzas debidas al peso, aunque se podrían haber incorporado fuerzas de otra naturaleza si se hubiese deseado. Las posiciones, velocidades y aceleraciones, proceden del cálculo cinemático. El efecto inercial de las fuerzas tenidas en cuenta (el peso) es calculado. Como resultado final del análisis dinámico inverso, se obtienen los pares que han de ejercer los cuatro motores para replicar el movimiento prescrito con las fuerzas que estaban actuando. La cuarta validación del modelo consiste en confirmar que el movimiento obtenido por aplicar los pares obtenidos en la dinámica inversa, coinciden con el obtenido en el análisis cinemático (movimiento teórico). Para ello, es necesario acudir a la dinámica directa. La dinámica directa se encarga de calcular el movimiento del robot, resultante de aplicar unos pares en motores y unas fuerzas en el robot. Por lo tanto, el movimiento real resultante, al no haber cambiado ninguna condición de las obtenidas en la dinámica inversa (pares de motor y fuerzas inerciales debidas al peso de los eslabones) ha de ser el mismo al movimiento teórico. Siendo así, se considera que el robot está listo para trabajar. Si se introduce una fuerza exterior de mecanizado no contemplada en la dinámica inversa y se asigna en los motores los mismos pares resultantes de la resolución del problema dinámico inverso, el movimiento real obtenido no es igual al movimiento teórico. El control de lazo cerrado se basa en ir comparando el movimiento real con el deseado e introducir las correcciones necesarias para minimizar o anular las diferencias. Se aplican ganancias en forma de correcciones en posición y/o velocidad para eliminar esas diferencias. Se evalúa el error de posición como la diferencia, en cada punto, entre el movimiento teórico deseado en el análisis cinemático y el movimiento real obtenido para cada fuerza de mecanizado y una ganancia concreta. Finalmente, se mapea el error de posición obtenido para cada fuerza de mecanizado y las diferentes ganancias previstas, graficando la mejor precisión que puede dar el robot para cada operación que se le requiere, y en qué condiciones. -------------- This Master´s Thesis deals with a preliminary characterization of the behaviour for an industrial robot, configured with 4 elements and 4 degrees of freedoms, and subjected to machining forces at its end. Proposed working conditions are those typical from manufacturing plants with aluminium alloys for automotive industry. This type of components comes from a first casting process that produces rough parts. For medium and high volumes, high pressure die casting (HPDC) and low pressure die casting (LPC) are the most used technologies in this first phase. For high pressure die casting processes, most used aluminium alloys are, in simbolic designation according EN 1706 standard (between brackets, its numerical designation); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). For low pressure, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). For the 3 first alloys, Si allowed limits can exceed 10% content. Fourth alloy has admisible limits under 10% Si. That means, from the point of view of machining, that components made of alloys with Si content above 10% can be considered as equivalent, and the fourth one must be studied separately. Geometrical and dimensional tolerances directly achievables from casting, gathered in standards such as ISO 8062 or DIN 1688-1, establish a limit for this process. Out from those limits, guarantees to achieve batches with objetive ppms currently accepted by market, force to go to subsequent machining process. Those geometries that functionally require a geometrical and/or dimensional tolerance defined according ISO 1101, not capable with initial moulding process, must be obtained afterwards in a machining phase with machining cells. In this case, tolerances achievables with cutting processes are gathered in standards such as ISO 2768. In general terms, machining cells contain several CNCs that they are interrelated and connected by robots that handle parts in process among them. Those robots have at their end a gripper in order to take/remove parts in machining fixtures, in interchange tables to modify position of part, in measurement and control tooling devices, or in entrance/exit conveyors. Repeatibility for robot is tight, even few hundredths of mm, defined according ISO 9283. Problem is like this; those repeatibilty ranks are only guaranteed when there are no stresses or they are not significant (f.e. due to only movement of parts). Although inertias due to moving parts at a high speed make that intermediate paths have little accuracy, at the beginning and at the end of trajectories (f.e, when picking part or leaving it) movement is made with very slow speeds that make lower the effect of inertias forces and allow to achieve repeatibility before mentioned. It does not happens the same if gripper is removed and it is exchanged by an spindle with a machining tool such as a drilling tool, a pcd boring tool, a face or a tangential milling cutter… Forces due to machining would create such big and variable torques in joints that control from the robot would not be able to react (or it is not prepared in principle) and would produce a deviation in working trajectory, made at a low speed, that would trigger a position error (see ISO 5458 standard) not assumable for requested function. Then it could be possible that tolerance achieved by a more exact expected process would turn out into a worst dimension than the one that could be achieved with casting process, in principle with a larger dimensional variability in process (and hence with a larger tolerance range reachable). As a matter of fact, accuracy is very tight in CNC, (its influence can be ignored in most cases) and it is not the responsible of, for example position tolerance when drilling a hole. Factors as, room and part temperature, manufacturing quality of machining fixtures, stiffness at clamping system, rotating error in 4th axis and part positioning error, if there are previous holes, if machining tool is properly balanced, if shank is suitable for that machining type… have more influence. It is interesting to know that, a non specific element as common, at a manufacturing plant in the enviroment above described, as a robot (not needed to be added, therefore with an additional minimum investment), can improve value chain decreasing manufacturing costs. And when it would be possible to combine that the robot dedicated to handling works could support CNCs´ works in its many waiting time while CNCs cut, and could take an spindle and help to cut; it would be double interesting. So according to all this, it would be interesting to be able to know its behaviour and try to explain what would be necessary to make this possible, reason of this work. Selected robot architecture is SCARA type. The search for a robot easy to be modeled and kinematically and dinamically analyzed, without significant limits in the multifunctionality of requested operations, has lead to this choice. Due to that, other very popular architectures in the industry, f.e. 6 DOFs anthropomorphic robots, have been discarded. This robot has 3 joints, 2 of them are revolute joints (1 DOF each one) and the third one is a cylindrical joint (2 DOFs). The first joint, a revolute one, is used to join floor (body 1) with body 2. The second one, a revolute joint too, joins body 2 with body 3. These 2 bodies can move horizontally in X-Y plane. Body 3 is linked to body 4 with a cylindrical joint. Movement that can be made is paralell to Z axis. The robt has 4 degrees of freedom (4 motors). Regarding potential works that this type of robot can make, its versatility covers either typical handling operations or cutting operations. One of the most common machinings is to drill. That is the reason why it has been chosen for the model and analysis. Within drilling, in order to enclose spectrum force, a typical solid drilling with 9 mm diameter. The robot is considered, at the moment, to have a behaviour as rigid body, as biggest expected influence is the one due to torques at joints. In order to modelize robot, it is used multibodies system method. There are under this heading different sorts of formulations (f.e. Denavit-Hartenberg). D-H creates a great amount of equations and unknown quantities. Those unknown quatities are of a difficult understanding and, for each position, one must stop to think about which meaning they have. The choice made is therefore one of formulation in natural coordinates. This system uses points and unit vectors to define position of each different elements, and allow to share, when it is possible and wished, to define kinematic torques and reduce number of variables at the same time. Unknown quantities are intuitive, constrain equations are easy and number of equations and variables are strongly reduced. However, “pure” natural coordinates suffer 2 problems. The first one is that 2 elements with an angle of 0° or 180°, give rise to singular positions that can create problems in constrain equations and therefore they must be avoided. The second problem is that they do not work directly over the definition or the origin of movements. Given that, it is highly recommended to complement this formulation with angles and distances (relative coordinates). This leads to mixed natural coordinates, and they are the final formulation chosen for this MTh. Mixed natural coordinates have not the problem of singular positions. And the most important advantage lies in their usefulness when applying driving forces, torques or evaluating errors. As they influence directly over origin variable (angles or distances), they control motors directly. The algorithm, simulation and obtaining of results has been programmed with Matlab. To design the model in mixed natural coordinates, it is necessary to model the robot to be studied in 2 steps. The first model is based in natural coordinates. To validate it, it is raised a defined trajectory and it is kinematically analyzed if robot fulfils requested movement, keeping its integrity as multibody system. The points (in this case starting and ending points) that configure the robot are quantified. As the elements are considered as rigid bodies, each of them is defined by its respectively starting and ending point (those points are the most interesting ones from the point of view of kinematics and dynamics) and by a non-colinear unit vector to those points. Unit vectors are placed where there is a rotating axis or when it is needed information of an angle. Unit vectors are not needed to measure distances. Neither DOFs must coincide with the number of unit vectors. Lengths of each arm are defined as geometrical constants. The constrains that define the nature of the robot and relationships among different elements and its enviroment are set. Path is generated by a cloud of continuous points, defined in independent coordinates. Each group of independent coordinates define, in an specific instant, a defined position and posture for the robot. In order to know it, it is needed to know which dependent coordinates there are in that instant, and they are obtained solving the constraint equations with Newton-Rhapson method according to independent coordinates. The reason to make it like this is because dependent coordinates must meet constraints, and this is not the case with independent coordinates. When suitability of model is checked (first approval), it is given next step to model 2. Model 2 adds to natural coordinates from model 1, the relative coordinates in the shape of angles in revoluting torques (3 angles; ϕ1, ϕ 2 and ϕ3) and distances in prismatic torques (1 distance; s). These relative coordinates become the new independent coordinates (replacing to cartesian independent coordinates from model 1, that they were natural coordinates). It is needed to review if unit vector system from model 1 is enough or not . For this specific case, it was necessary to add 1 additional unit vector to define perfectly angles with their related equations of dot and/or cross product. Constrains must be increased in, at least, 4 equations; one per each new variable. The approval of model 2 has two phases. The first one, same as made with model 1, through kinematic analysis of behaviour with a defined path. During this analysis, it could be obtained from model 2, velocities and accelerations, but they are not needed. They are only interesting movements and finite displacements. Once that the consistence of movements has been checked (second approval), it comes when the behaviour with interpolated trajectories must be kinematically analyzed. Kinematic analysis with interpolated trajectories work with a minimum number of 3 master points. In this case, 3 points have been chosen; starting point, middle point and ending point. The number of interpolations has been of 50 ones in each strecht (each 2 master points there is an strecht), turning into a total of 100 interpolations. The interpolation method used is the cubic splines one with condition of constant acceleration both at the starting and at the ending point. This method creates the independent coordinates of interpolated points of each strecht. The dependent coordinates are achieved solving the non-linear constrain equations with Newton-Rhapson method. The method of cubic splines is very continuous, therefore when it is needed to design a trajectory in which there are at least 2 movements clearly differents, it is required to make it in 2 steps and join them later. That would be the case when any of the motors would keep stopped during the first movement, and another different motor would remain stopped during the second movement (and so on). Once that movement is obtained, they are calculated, also with numerical differenciation formulas, the independent velocities and accelerations. This process is analogous to the one before explained, reminding condition that acceleration when t=0 and t=end are 0. Dependent velocities and accelerations are calculated solving related derivatives of constrain equations. In a third approval of the model it is checked, again, consistence of interpolated movement. Inverse dynamics calculates, for a defined movement –knowing position, velocity and acceleration in each instant of time-, and knowing external forces that act (f.e. weights); which forces must be applied in motors (where there is control) in order to obtain requested movement. In inverse dynamics, each instant of time is independent of the others and it has a position, a velocity, an acceleration and known forces. In this specific case, it is intended to apply, at the moment, only forces due to the weight, though forces of another nature could have been added if it would have been preferred. The positions, velocities and accelerations, come from kinematic calculation. The inertial effect of forces taken into account (weight) is calculated. As final result of the inverse dynamic analysis, the are obtained torques that the 4 motors must apply to repeat requested movement with the forces that were acting. The fourth approval of the model consists on confirming that the achieved movement due to the use of the torques obtained in the inverse dynamics, are in accordance with movements from kinematic analysis (theoretical movement). For this, it is necessary to work with direct dynamics. Direct dynamic is in charge of calculating the movements of robot that results from applying torques at motors and forces at the robot. Therefore, the resultant real movement, as there was no change in any condition of the ones obtained at the inverse dynamics (motor torques and inertial forces due to weight of elements) must be the same than theoretical movement. When these results are achieved, it is considered that robot is ready to work. When a machining external force is introduced and it was not taken into account before during the inverse dynamics, and torques at motors considered are the ones of the inverse dynamics, the real movement obtained is not the same than the theoretical movement. Closed loop control is based on comparing real movement with expected movement and introducing required corrrections to minimize or cancel differences. They are applied gains in the way of corrections for position and/or tolerance to remove those differences. Position error is evaluated as the difference, in each point, between theoretical movemment (calculated in the kinematic analysis) and the real movement achieved for each machining force and for an specific gain. Finally, the position error obtained for each machining force and gains are mapped, giving a chart with the best accuracy that the robot can give for each operation that has been requested and which conditions must be provided.

Coeficiente de absorción a incidencia normal de espumas de aluminio de poro abierto fabricadas mediante el método de infiltración

Dependiendo de la conexión entre sus poros, las espumas metálicas se clasifican en espumas de poro abierto o poro cerrado. La mayoría de las espumas que se comercializan actualmente son espumas de poro cerrado. Sin embargo, para algunas aplicaciones son más apropiadas las espumas de poro abierto. En este trabajo, se estudia el coeficiente de absorción en tubo de impedancia de espumas de aluminio de poro abierto fabricadas mediante el proceso de infiltración. Estas espumas se caracterizan por una estructura muy homogénea y por un elevado valor del coeficiente de absorción a bajas frecuencias cuando se combinan con una cámara de aire

Análisis Preliminar de la Influencia del Proceso de Torneado en la vida a fatiga de la Aleación de Aluminio UNS A92024-T351

Generalmente los elementos estructurales metálicos de las aeronaves se ubican en zonas de carga crítica, en la mayoría de los casos, estos elementos son conformados mediante procesos de mecanizado. La vida a fatiga de estos componentes es una propiedad dinámica muy importante que puede verse intensamente afectada por las condiciones superficiales producidas durante el proceso de mecanizado. En este trabajo se lleva a cabo un primer estudio de la influencia de los parámetros de corte en la resistencia a la fatiga de piezas torneadas de la aleación de aluminio aeronáutico UNS A92024-T351. Se ha prestado especial atención a la relación con el acabado superficial evaluado a partir de la rugosidad media aritmética

Desarrollo, análisis y caracterización de procesos de soldeo térmico de espumas de aluminio

Uno de los retos actuales aún pendiente de lograr trabajando con espumas de aluminio, es el desarrollo de métodos de unión fácilmente reproducibles a nivel industrial que permitan la unión de espumas de aluminio entre sí o con otros componentes tipo pletinas, para así poder fabricar piezas de mayor tamaño o con formas complejas, a la vez que se conserven las propiedades y características principales de las espumas de aluminio, tanto en la zona principal de unión o cordón, como en la interfase y zona afectada térmicamente, que se encuentran anexa. Los actuales procesos de unión más utilizados con espumas de aluminio, se basan principalmente en adhesivos y uniones mecánicas. Estas soluciones a priori válidas, añaden problemas técnicos a determinadas aplicaciones de las espumas que frenan la completa integración de estos materiales en un entorno de fabricación flexible y global. Por esta razón, los actuales procesos de producción de las espumas de aluminio se restringen a determinadas ofertas hechas a la medida del cliente, no pudiendo atender por falta de soluciones, a una gran parte del potencial mercado de estos materiales. En el presente trabajo de investigación se han desarrollado y caracterizado diferentes métodos de unión de espumas de aluminio, en configuración a tope y de espumas de aluminio con pletinas en configuración a solape, basados en procesos por soldeo térmico. One of the current challenges even pending of being achieved working with aluminium foams, is the development of easily reproducible methods at industrial level that allow the joint of aluminium foams between them or with other elements as for example aluminium plates for making bigger pieces or with more complex forms, remaining simultaneously in the weld bead the properties and main characteristics of aluminium foam, so much in the joint area or interface, since in the affected closer thermal zone. Currently, the most used joint processes for applying to aluminium foams are based mainly on adhesives and mechanical joins. These solutions initially valid, add technical problems to certain aluminium foams applications, which stop the complete integration of these materials in a more flexible and global manufacture environment. For this reason, current aluminium foam manufacturing processes are restricted to certain offers done to a specific customer requirement, not being able to attend for lack of available solutions, to a great potential market of these materials. In the present work, different joint methods between aluminium foams and between aluminium foams and plates for butt and lap configurations have been developed and characterized based on thermal welding processes.

Estudio del comportamiento mecánico de las espumas pulvimetalúrgicas de aluminio

Con este trabajo se pretende determinar la relación entre las características físicas y mecánicas y la estructura para espumas de aluminio de Al12Si y AA6061 obtenidas por pulvimetalurgia utilizando probetas prismáticas de dimensiones diecisiete por diecisiete por sesenta milímetros. De su estudio mecánico y de análisis de imagen se concluye que las probetas cuyas propiedades físicas y mecánicas están moderadamente por encima de la media poseen mayor número de poros medianos y paredes de poro más gruesas. Por el contrario, las propiedades resultan inferiores cuando se presentan estructuras con un mayor número de poros medianos. Aquellas espumas con estructuras obtenidas por una espumación incompleta presentan una menor porosidad y por ello mayores densidades. En aquellos casos donde la estructura presenta una elevada presencia de poros grandes, sus propiedades mecánicas disminuyen. ABSTRACT With this work we are trying to determine the relation between physical and mechanical characteristics and its structure, for Al12Si and AA6061 aluminium foams, obtained by podwer metallurgy. Aluminium foam samples with dimensions of seventeen per seventeen per sixty millimeters were used. After its mechanical and image analysis study, we conclude that samples whose physical and mechanical properties are moderately over the average, they have a major proportion of medium pores and thicker pore walls. Otherwise, properties result to be inferior when a major number of medium pores structures are presented. Those foam structures obtained with an incomplete foaming process show a lower porosity, and so higher densities. Also, properties decrease in those cases in which the structure presents a high presence of big pores.

Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

Modelo de comportamiento plástico y rotura en aleaciones de solidificación direccional

Esta investigación presenta un modelo de material para aleaciones de solidificación direccional que poseen un comportamiento mecánico transversalmente isótropo. Se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre probetas cilíndricas a varias velocidades de deformación y a varias temperaturas sobre la superaleación de base níquel de solidificación direccional MAR-M 247 con objeto de conocer su comportamiento mecánico. Los ensayos se realizaron sobre probetas cilíndricas cuya dirección longitudinal forma 0º y 90º con la de la orientación de crecimiento de los granos. Para representar el comportamiento plástico anisótropo se ha formulado una función de plastificación de forma no cuadrática basada en la transformación lineal de tensores. Con el propósito de simplificar en todo lo posible el modelo se ha considerado un endurecimiento isótropo. Para probar la validez del modelo propuesto se ha implementado el mismo como modelo de material definido por el usuario en el código no lineal de elementos finitos LS-DYNA. In this research a material model for directionally solidified alloys with transversely isotropic mechanic behavior is presented. In order to characterize the mechanical behavior of the Mar-M 247 directionally solidified nickel based superalloy, tensile tests of axisymmetric smooth specimens were performed at various strain rates and temperatures. The specimens were machined making sure that the longitudinal axis of them was forming 0º and 90º with the grain growth orientation. To represent the plastic flow, a non-quadratic anisotropic function based on linear transformation of tensors has been formulated. For the sake of simplicity isotropic strain hardening of the material has been considered. To prove the validity of the model, a material subroutine has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code as a user defined material model.

Absorción acústica a incidencia normal de espumas de aluminio

En este artículo se presentan los primeros resultados de absorción acústica a incidencia normal de espumas de aluminio fabricadas mediante una técnica pulvimetalúrgica. El interés de estas espumas radica en que en ellas se combinan interesantes propiedades acústicas y mecánicas. Se estudian espumas de aluminio de distinta morfología superficial conseguida variando el tipo de precursor y usando materiales de relleno durante el proceso de espumación. Se muestra un estudio comparativo de las espumas fabricadas mediante esta técnica con las espumas comerciales ALPORAS. Las espumas de menor densidad presentan una absorción acústica comparable a la de las comerciales ALPORAS. ABSTRACT. In this paper, the first experimental data of acoustic absorption at normal incidence in aluminum foams generated by a metallurgic technique are presented. The interest of this kind of structures is due to the combination of mechanical and acoustic properties. By changing the precursor type or using filling materials during the foaming process, we have obtained aluminum foams with different surface morphologies. A comparative study between foams fabricated using this technique and ALPORAS commercial aluminum foams is shown. The foams which present the lower density show an acoustic absorption comparable to the ALPORAS commercial ones.

Influencia de la modificación de la estructura cristalina superficial de un aluminio en el valor de su energía superficial, al ser atacado con diferentes tratamientos mecano-químicos

En el trabajo se analizaron las modificaciones que diferentes ataques superficiales empleados para modificar la topografía superficial inducían en la estructura cristalina del sustrato y sus consecuencias en las características termodinámicas de la superficie con vistas a la adhesión. Se consideraron cuatro tipos diferentes de ataques superficiales y se analizaron los efectos que habían producido sobre la energía superficial del sustrato de aluminio. Se comprobó mediante XRD la modificación inducida por los distintos tratamientos en la estructura cristalina del aluminio utilizado como sustrato.

Comportamiento mecánico de nuevas aleaciones de wolframio en función de la temperatura

La presente memoria de tesis tiene como objetivo principal la caracterización mecánica en función de la temperatura de nueve aleaciones de wolframio con contenidos diferentes en titanio, vanadio, itria y lantana. Las aleaciones estudiadas son las siguientes: W-0.5%Y2O3, W-2%Ti, W-2% Ti-0.5% Y2O3, W-4% Ti-0.5% Y2O3, W-2%V, W- 2%Vmix, W-4%V, W-1%La2O3 and W-4%V-1%La2O3. Todos ellos, además del wolframio puro se fabrican mediante compresión isostática en caliente (HIP) y son suministradas por la Universidad Carlos III de Madrid. La investigación se desarrolla a través de un estudio sistemático basado en ensayos físicos y mecánicos, así como el análisis post mortem de las muestras ensayadas. Para realizar dicha caracterización mecánica se aplican diferentes ensayos mecánicos, la mayoría de ellos realizados en el intervalo de temperatura de 25 a 1000 º C. Los ensayos de caracterización que se llevan a cabo son: • Densidad • Dureza Vicker • Módulo de elasticidad y su evolución con la temperatura • Límite elástico o resistencia a la flexión máxima, y su evolución con la temperatura • Resistencia a la fractura y su comportamiento con la temperatura. • Análisis microestructural • Análisis fractográfico • Análisis de la relación microestructura-comportamiento macroscópico. El estudio comienza con una introducción acerca de los sistemas en los que estos materiales son candidatos para su aplicación, para comprender las condiciones a las que los materiales serán expuestos. En este caso, el componente que determina las condiciones es el Divertor del reactor de energía de fusión por confinamiento magnético. Parece obvio que su uso en los componentes del reactor de fusión, más exactamente como materiales de cara al plasma (Plasma Facing Components o PFC), hace que estas aleaciones trabajen bajo condiciones de irradiación de neutrones. Además, el hecho de que sean materiales nuevos hace necesario un estudio previo de las características básicas que garantice los requisitos mínimos antes de realizar un estudio más complejo. Esto constituye la principal motivación de la presente investigación. La actual crisis energética ha llevado a aunar esfuerzos en el desarrollo de nuevos materiales, técnicas y dispositivos para la aplicación en la industria de la energía nuclear. El desarrollo de las técnicas de producción de aleaciones de wolframio, con un punto de fusión muy alto, requiere el uso de precursores de sinterizado para lograr densificaciones más altas y por lo tanto mejores propiedades mecánicas. Este es el propósito de la adición de titanio y vanadio en estas aleaciones. Sin embargo, uno de los principales problemas de la utilización de wolframio como material estructural es su alta temperatura de transición dúctil-frágil. Esta temperatura es característica de materiales metálicos con estructura cúbica centrada en el cuerpo y depende de varios factores metalúrgicos. El proceso de recristalización aumenta esta temperatura de transición. Los PFC tienen temperaturas muy altas de servicio, lo que facilita la recristalización del metal. Con el fin de retrasar este proceso, se dispersan partículas insolubles en el material permitiendo temperaturas de servicio más altas. Hasta ahora se ha utilizado óxidos de torio, lantano e itrio como partículas dispersas. Para entender cómo los contenidos en algunos elementos y partículas de óxido afectan a las propiedades de wolframio se estudian las aleaciones binarias de wolframio en comparación con el wolframio puro. A su vez estas aleaciones binarias se utilizan como material de referencia para entender el comportamiento de las aleaciones ternarias. Dada la estrecha relación entre las propiedades del material, la estructura y proceso de fabricación, el estudio se completa con un análisis fractográfico y micrográfico. El análisis fractográfico puede mostrar los mecanismos que están implicados en el proceso de fractura del material. Por otro lado, el estudio micrográfico ayudará a entender este comportamiento a través de la identificación de las posibles fases presentes. La medida del tamaño de grano es una parte de la caracterización microestructural. En esta investigación, la medida del tamaño de grano se llevó a cabo por ataque químico selectivo para revelar el límite de grano en las muestras preparadas. Posteriormente las micrografías fueron sometidas a tratamiento y análisis de imágenes. El documento termina con una discusión de los resultados y la compilación de las conclusiones más importantes que se alcanzan después del estudio. Actualmente, el desarrollo de nuevos materiales para aplicación en los componentes de cara al plasma continúa. El estudio de estos materiales ayudará a completar una base de datos de características que permita hacer una selección de ellos más fiable. The main goal of this dissertation is the mechanical characterization as a function of temperature of nine tungsten alloys containing different amounts of titanium, vanadium and yttrium and lanthanum oxide. The alloys under study were the following ones: W-0.5%Y2O3, W-2%Ti, W-2% Ti-0.5% Y2O3, W-4% Ti-0.5% Y2O3, W-2%V, W- 2%Vmix, W-4%V, W-1%La2O3 and W-4%V-1%La2O3. All of them, besides pure tungsten, were manufactured using a Hot Isostatic Pressing (HIP) process and they were supplied by the Universidad Carlos III de Madrid. The research was carried out through a systematic study based on physical and mechanical tests as well as the post mortem analysis of tested samples. Diverse mechanical tests were applied to perform this characterization; most of them were conducted at temperatures in the range 25-1000 ºC. The following characterization tests were performed: • Density • Vickers hardness • Elastic modulus • Yield strength or ultimate bending strength, and their evolution with temperature • Fracture toughness and its temperature behavior • Microstructural analysis • Fractographical analysis • Microstructure-macroscopic relationship analysis This study begins with an introduction regarding the systems where these materials could be applied, in order to establish and understand their service conditions. In this case, the component that defines the conditions is the Divertor of magnetic-confinement fusion reactors. It seems obvious that their use as fusion reactor components, more exactly as plasma facing components (PFCs), makes these alloys work under conditions of neutron irradiation. In addition to this, the fact that they are novel materials demands a preliminary study of the basic characteristics which will guarantee their minimum requirements prior to a more complex study. This constitutes the motivation of the present research. The current energy crisis has driven to join forces so as to develop new materials, techniques and devices for their application in the nuclear energy industry. The development of production techniques for tungsten-based alloys, with a very high melting point, requires the use of precursors for sintering to achieve higher densifications and, accordingly, better mechanical properties. This is the purpose of the addition of titanium and vanadium to these alloys. Nevertheless, one of the main problems of using tungsten as structural material is its high ductile-brittle transition temperature. This temperature is characteristic of metallic materials with body centered cubic structure and depends on several metallurgical factors. The recrystallization process increases their transition temperature. Since PFCs have a very high service temperature, this facilitates the metal recrystallization. In order to inhibit this process, insoluble particles are dispersed in the material allowing higher service temperatures. So far, oxides of thorium, lanthanum and yttrium have been used as dispersed particles. Tungsten binary alloys are studied in comparison with pure tungsten to understand how the contents of some elements and oxide particles affect tungsten properties. In turn, these binary alloys are used as reference materials to understand the behavior of ternary alloys. Given the close relationship between the material properties, structure and manufacturing process, this research is completed with a fractographical and micrographic analysis. The fractographical analysis is aimed to show the mechanisms that are involved in the process of the material fracture. Besides, the micrographic study will help to understand this behavior through the identification of present phases. The grain size measurement is a crucial part of the microstructural characterization. In this work, the measurement of grain size was carried out by chemical selective etching to reveal the boundary grain on prepared samples. Afterwards, micrographs were subjected to both treatment and image analysis. The dissertation ends with a discussion of results and the compilation of the most important conclusions reached through this work. The development of new materials for plasma facing components application is still under study. The analysis of these materials will help to complete a database of the features that will allow a more reliable materials selection.

Análisis del tratamiento superficial del aluminio y su influencia en el proceso de la adhesión: evaluación de la topografía y su relación con la energía superficial del sustrato

Al considerar los mecanismos de unión entre dos elementos, metálicos o no, es cada vez más habitual referirse a la adhesión. El término adhesión se refiere a un complejo conjunto de fenómenos relacionados entre sí que están lejos de ser completamente entendidos y, por lo tanto, tiene sentido considerar la conveniencia de cualquier intento de predecir el comportamiento mediante el uso de métodos semi-empíricos. El empleo de adhesivos en las uniones entre materiales iguales o diferentes es un hecho que se ha implantado como sistema de unión en diferentes campos, tales como la industria metalúrgica, la industria de los medios de transporte (aviación, automóvil, transportes de viajeros por carretera urbanos e interurbanos, industria naval y, en los últimos años, transporte ferroviario), la electrónica y comunicaciones, la biomecánica, la nanotecnología, etc. Las funciones del adhesivo en la unión pueden ser variadas: desde soportar esfuerzos mecánicos, como lo hacen los materiales que une -adhesivos estructurales-, a, simplemente, dar continuidad a un objeto o a actuar como sellado y protección de un conjunto electrónico, con funciones aislantes o incluso conductoras. En todos los casos, el adhesivo realiza su función uniendo superficies. El estudio de cómo es y cómo se comporta esa superficie es fundamental para poder definir y diseñar los parámetros más adecuados de los elementos que participan en la unión. Pero el concepto de superficie no queda bien definido si no lo están sus características: así, la rugosidad, la energía superficial o la estructura y orientación cristalina van a definir el resultado final, junto con las propiedades del adhesivo empleado. Se ha comprobado que un tratamiento superficial realizado sobre un sustrato, puede realizar cambios superficiales no sólo a nivel topográfico, sino también a nivel químico y/o microestructural, lo que podría modificar la energía superficial del sustrato. En ensayos realizados en el propio laboratorio, se ha detectado que en casos en los que los valores de la rugosidad obtenida es la misma, la energía superficial del sustrato es diferente dependiendo del tipo de ataque, para la misma aleación del material. Se podría deducir, a priori, que la modificación cristalográfica conseguida influye, además de en la rugosidad, en las características termodinámicas de la misma. Si bien es cierto que la relación entre la rugosidad y la fuerza de adhesión ha sido ampliamente estudiada, la influencia de diferentes tipos de tratamientos superficiales, tanto en la rugosidad como en las características termodinámicas y en las fuerzas de adhesión, es un tema que produce discrepancias en diferentes autores. No todos los autores o investigadores en los mecanismos de la adhesión ven de igual manera la influencia de una u otra característica de la superficie, ni la posibilidad de aplicación de uno u otro criterio de valorización. Por otra parte, un factor de vital importancia en una buena adhesión es la viscosidad del adhesivo y su velocidad de curado. La aplicación de un adhesivo sobre el adherente implica que, si no hay una buena relación entre las energías superficiales de uno y otro, es decir si no se produce un buen mojado, la capacidad de penetración del adhesivo en los poros o microporos del adherente se reduce de forma sinérgica con la velocidad de curado del adhesivo, es decir, con el aumento de viscosidad. Los adhesivos presentan propiedades reológicas muy diferentes antes y después de su curado. En el momento de su aplicación se comportan como fluidos cuyo comportamiento reológico afecta, entre otras, a características tales como la procesabilidad, su ámbito de uso, la dosificación o la capacidad de relleno de holgura. Antes del curado, deben ser fluidos capaces de ser transportados hasta la superficie del sustrato y copiar su superficie realizando un buen mojado. Según va produciéndose el curado del adhesivo, éste va aumentando su viscosidad hasta comportarse como un sólido; una vez completado el curado, los adhesivos han de presentar propiedades mecánicas adecuadas a los requisitos de ensamblaje. En adhesión, la medida en la que un adhesivo es capaz de impregnar la superficie del sustrato sobre el cual se desea realizar la unión, realizar un contacto interfacial intimo y una buena penetración en las oquedades y rugosidades superficiales del sólido, se denomina mojado. Para que la adhesión sea buena, es condición indispensable que el mojado del sustrato por el adhesivo sea bueno. Para el estudio y cuantificación del mojado se utilizan medidas del ángulo de contacto que forma una gota de adhesivo depositada en el sólido tras esperar a que el sistema alcance el equilibrio. Dado el interés que tiene lo que ocurre en la interfase para alcanzar un mayor conocimiento de los procesos de adhesión, el objetivo principal de esta tesis es caracterizar morfológicamente la superficie de un adherente de aluminio para determinar la influencia que tiene en los parámetros que definen la unión adhesiva. Para ello se han marcado unos objetivos parciales que, fundamentalmente, son: • Caracterizar la superficie de un sustrato (aluminio) sometido a diferentes tratamientos superficiales, tanto mecánicos como químicos • Determinar la energía superficial del mismo sustrato después de los tratamientos superficiales mediante la medida de los ángulos de mojado • Analizar la influencia de la viscosidad en el mojado del sustrato, en función de la rugosidad • Determinar la aplicabilidad de la ecuación de Wenzel en función de la magnitud de la rugosidad • Validar los resultados de las características superficiales mediante la realización de ensayos de tracción Para alcanzar estos objetivos, se han empleado nueve tipos diferentes de tratamientos, en los que se ha buscado la obtención de muy diferentes acabados superficiales, razón por la que no todos los tratamientos que se han utilizado son de aplicación actual en la industria. Los tratamientos mecánicos han sido abrasivos de dos clases: • por rozamiento (Pulido y lijado con dos granulometrías diferentes) y • por impacto (Granallado y LSP) Los ataques químicos han sido, también, de dos tipos • Ácidos (HCl en dos concentraciones diferentes) y • Básicos (NaOH en dos concentraciones distintas) La caracterización superficial se ha realizado con el estudio de los parámetros de rugosidad superficiales, definidos en la normativa de rugosidad 3D, y con el estudio derivado de los análisis de la superficie por transformadas de Fourier La energía superficial se ha realizado mediante dos métodos: la determinación de la energía crítica, γc, por el método de Zisman y el cálculo de las componentes polar y dispersiva de la energía superficial mediante la aproximación de van Oss, Chaudhury y Good. Como estudio paralelo, se ha ensayado el efecto de la viscosidad del adhesivo y su velocidad de curado sobre unas muestras de aluminio con rugosidades diferentes. El estudio finaliza con las conclusiones que relacionan el tratamiento superficial y su influencia en el proceso de la adhesión, teniendo como elemento de referencia el efecto producido en las características topográficas y termodinámicas de la superficie.

Pabellón del Centenario del Aluminio

Artículo sobre el Pabellón del Centenario del Aluminio con fotografías y dibujos realizados por la autora.

Crecimiento y caracterización de Nitruro de Indio por epitaxia de haces moleculares para aplicaciones en el infrarrojo cercano

Los nitruros del grupo III (InN, GaN y AlN) se han asentado como semiconductores importantes para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos gracias al amplio rango de la banda prohibida ("bandgap") de estos materiales (0.7-6.2 eV) y a que dicho bandgap sea directo. Asimismo, el marcado carácter iónico de los enlaces en estos materiales les confiere una gran estabilidad química y térmica, haciéndoles así buenos candidatos para trabajar en entornos agresivos. La técnica de crecimiento epitaxial más extendida para los nitruros del grupo III es la epitaxia en fase vapor mediante precursores metalorgánicos (MOVPE) y mediante ésta se han obtenido dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia como los comercializados por Nichia, Sony y Toshiba entre otros. Esta técnica necesita de alta temperatura para la pirólisis de los gases reactivos, lo que a su vez incrementa la calidad cristalina de los materiales obtenidos. Sin embargo, tiene como inconvenientes la existencia de niveles altos de carbono, hidrógeno y otros compuestos orgánicos, procedentes de los precursores, que puede provocar efectos negativos de pasivación sobre los dopantes. Otra técnica de crecimiento utilizada para la obtención de nitruros del grupo III es por medio de epitaxia de haces moleculares (MBE) la cual presenta algunas ventajas sobre el MOVPE, por ejemplo: (i) el entorno de ultra alto vacío requerido (presiones base del orden de 10-11 Torr) minimiza la concentración de impurezas incorporadas al material, (ii) la pureza de los materiales empleados en las fuentes de efusión siempre superan el 99,9999%, (iii) la posibilidad de interrumpir el flujo de cualquiera de los elementos (Ga, In, Al, Si, Mg, etc.) de una manera abrupta (mediante el uso de obturadores mecánicos) dando lugar a intercaras planas a nivel atómico, y (iv) la posibilidad de reducir la velocidad de crecimiento (1 nm/min) permitiendo un control preciso del espesor crecido, y por tanto, fabricar estructuras semiconductoras complejas como las basadas en pozos cuánticos. Desde 1986 hasta la actualidad se ha mejorado mucho la calidad cristalina de las capas de InN, obteniéndose actualmente mediante estas técnicas de crecimiento, capas de InN con un valor de bandgap en torno 0.7 eV. Gracias a los numerosos trabajos presentados sobre las propiedades ópticas de este material, el intervalo de operación de los nitruros del grupo III dentro del espectro electromagnético se ha extendido hasta el infrarrojo cercano. Este hecho ha despertado un gran interés en nuevas aplicaciones, como en el campo fotovoltáico con la fabricación de células solares de multi-unión de alta eficiencia cubriendo todo el espectro solar. Se ha detectado también en este material una importante acumulación de carga eléctrica en la superficie, del orden de 1013 e-cm-2. Esta cantidad de electrones parecen acumularse en una capa de unos 4 a 6 nanómetros, incrementando la conductividad de las capas de InN. Si bien esta alta carga superficial podría utilizarse para la fabricación de sensores, ésta no es la única característica que apoya el uso del InN para la fabricación de este tipo de dispositivos. El principal objetivo de esta tesis es el estudio y optimización del crecimiento mediante la técnica de MBE de capas de nitruro de indio para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. La optimización conlleva el control de la morfología y el estudio de las propiedades ópticas y eléctricas de las capas crecidas. Este objetivo principal se puede concretar en varios puntos relacionados con (i) el crecimiento de capas de nitruro de indio (InN) y sus aleaciones con galio (InGaN) y aluminio (AlInN), (ii) la caracterización de dichas capas, y (iii) el diseño, crecimiento y caracterización de heteroestructuras para aplicaciones en el rango del infrarrojo cercano. El crecimiento de capas de InN utilizando diferentes sustratos se ve afectado fundamentalmente por la temperatura de crecimiento pudiéndose afirmar que es el parámetro más crítico. El otro parámetro importante que gobierna la morfología y la calidad cristalina de las capas es la razón III/V que ha de ser precisamente controlado. Con razones III/V<<1 y a una temperatura lo suficientemente baja, se obtiene un material formado por nanocristales columnares de muy alta calidad, libres de defectos extendidos y completamente relajados, con una emisión muy intensa. Para la misma temperatura que en el caso anterior y razones III/V ligeramente por encima de estequiometría (III/V > 1), las capas obtenidas presentan una morfología compacta. Aunque también es posible obtener capas compactas en condiciones nominalmente ricas en nitrógeno (III/V <1) a temperaturas superiores.