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Mar 02, 2024

Unión por difusión para unir metales diferentes.

En el sector aeroespacial, la unión por difusión de metales es un método de unión esencial para lograr una interfaz de alta pureza cuando dos metales similares requieren una integridad estructural superior. El proceso consiste en aplicar

En el sector aeroespacial, la unión por difusión de metales es un método de unión esencial para lograr una interfaz de alta pureza cuando dos metales similares requieren una integridad estructural superior. El proceso implica aplicar alta temperatura y presión a metales acoplados en una prensa caliente, lo que hace que los átomos de las superficies metálicas sólidas se intercalen y se unan.

La unión por difusión por prensado en caliente produce resultados consistentemente uniformes en la unión de materiales para una variedad de aplicaciones aeroespaciales. La presión aplicada inducida por el equipo de prensado en caliente, combinada con software y sensores de bucle invertido para un control preciso con precisión micrométrica, puede producir una presión constante en varios pies cuadrados para el ensamblaje de componentes. Esto ha hecho que la tecnología sea de interés para los ingenieros de diseño en las industrias aeroespacial, de semiconductores y energética.

Con su alto grado de control del proceso, la unión por difusión se utiliza cada vez más comercialmente para unir titanio con aleaciones de hierro-níquel, aleaciones de titanio con acero inoxidable e incluso algo de aluminio con otras aplicaciones metálicas. El proceso también permite el acoplamiento entre diferentes aleaciones en el mismo grupo de materiales, como acero dulce, acero para herramientas y compuestos de matriz metálica.

Se requiere una comprensión de las complejidades de la interfaz y su efecto sobre las propiedades químicas y termomecánicas del enlace para utilizar con éxito el enlace por difusión. Sin embargo, con el enfoque tradicional de la industria en la soldadura y la soldadura fuerte, ha habido una educación formal mínima sobre la unión por difusión, según Thomas Palamides, gerente senior de productos y ventas - hornos industriales, PVA TePla AG, un fabricante global de hornos industriales y sistemas de nitruración PulsPlasma.

“La combinación de las propiedades beneficiosas de diferentes metales es la principal razón para explorar los enlaces por difusión. Sin embargo, cuando los fabricantes aeroespaciales nos contactan [con nosotros], a menudo los diseñadores no están familiarizados con los mejores métodos de diseño de componentes para optimizar la uniformidad de la unión o no están familiarizados con el mejor acabado superficial para los materiales”, dice Palamides.

La importancia de diseñar una unión de metales diferentes a menudo radica en el deseo de exponer la superficie metálica correcta a condiciones ambientales específicas donde una sola aleación puede no funcionar tan bien. Otra razón es introducir sistemas de materiales más livianos o proporcionar un nivel de resistencia a la corrosión que solo se logra empaquetando metales diferentes.

La unión por difusión es ahora un proceso viable para fabricar hardware estructural aeroespacial o dispositivos de flujo de fluidos y gases, incluidos dispositivos de gestión térmica para armas de defensa, motores de cohetes de combustible líquido y bocinas de antena híbridas de ondas milimétricas para vigilancia terrestre y espacial.

La geometría de las antenas para detectar ondas de radio electrónicas polarizadas es el núcleo de esta tecnología, y la unión por difusión permite diseños más complejos para mejorar el rendimiento.

Además, la unión por difusión de aleaciones de titanio, acero y cobre permite fabricar componentes aeroespaciales con configuraciones complejas. El método se puede utilizar con éxito con conformado por soplado para fabricar componentes aeroespaciales con forma casi neta, incluidos tanques de alta presión para el control de actitud de naves espaciales, una cámara de combustión con canales de enfriamiento de cobre y paneles estructurales livianos.

La unión por difusión también tiene enormes aplicaciones potenciales para el enfriamiento conforme o para unir capas de chapa metálica que contienen estructuras de canales/microcanales mecanizados. Cuando se combinan, los canales pueden proporcionar refrigeración o disipación de calor. Las capas se pueden unir hasta una altura de apilamiento de 600 mm en el horno de pared fría MOV [horno de pared fría con] prensa de unión por difusión, conservando la misma resistencia que los materiales originales.

Otra aplicación relacionada con el enfriamiento conformal es para moldes de inyección de plástico fabricados en diseños de 2 capas de acero para herramientas de baja aleación con acero inoxidable como STAVAX.

Si bien existe una amplia investigación sobre el tema, a los ingenieros de diseño aún les puede resultar difícil convertir la información en la fabricación en el mundo real de una pieza específica. Cuando este sea el caso, puede resultar útil asociarse con expertos que tengan una extensa base de datos de parámetros de procesamiento exitosos de aplicaciones anteriores y acceso a equipos a escala industrial.

"En la mayoría de los casos, comenzamos a hablar con el fabricante aeroespacial sobre la introducción de nuevos diseños, consultamos sobre posibles materiales y diseños y también realizamos pruebas de unión previa según sea necesario", explica Palamides. PVA TePla brinda soporte, incluidas combinaciones de materiales, tiempos de procesamiento y temperaturas específicos.

Señala que un diseño adecuado permite la unión por difusión de conjuntos, ya sea una interfaz íntima o múltiples interfaces planas paralelas simultáneamente. Sin embargo, las superficies que no sean perpendiculares a la fuerza de compresión del ariete hidráulico no se unirán correctamente.

Palamides dice que el fabricante comienza trabajando con sus equipos mecánicos, térmicos y de modelado. Una vez que se completa el diseño, el siguiente paso es fabricar muestras de prueba fieles a las características de la interfaz final.

A pesar de sus beneficios, el uso de enlaces por difusión en el sector aeroespacial ha estado limitado por consideraciones más prácticas hasta hace poco; específicamente, la limitación del tamaño de la cámara del horno y los límites a la cantidad y uniformidad de la presión aplicada en toda la superficie de la pieza. Los tiempos de ejecución también son largos, a menudo duran un día entero.

Los avances en las prensas calientes de alto vacío ahora permiten un control superior de la presión y sistemas de enfriamiento rápido para mejorar la unión, aumentar los rendimientos y disminuir significativamente el tiempo del ciclo.

Para la presión, las prensas hidráulicas monocilíndricas integradas pueden aplicar una cantidad de fuerza constante y mensurable. Sin embargo, esto proporciona muy poco control sobre piezas grandes con geometrías más complejas. Para mejorar la distribución de la fuerza, gruesas placas de presión de grafito (de 10" a 15" de alto) unen las capas de metal con una presión más constante. Desafortunadamente, esto ocupa espacio en el horno y aumenta el tiempo necesario para calentar las superficies de los metales.

Hoy en día, fabricantes como PVA TePla ofrecen sistemas multicilindros con grandes placas de prensado que pueden acomodar varias piezas. El más grande, el MOV 853 HP de la empresa, puede procesar sustratos de hasta 900 mm x 1250 mm (35,43" x 49,21"); La fuerza de presión es de 4.000 kN.

Al controlar cada cilindro de forma independiente, la prensa integrada proporciona una presión notablemente constante en toda la superficie. El MOV también viene con transductores de presión incorporados en la parte inferior de la placa de presión. Los cilindros hidráulicos individuales se pueden ajustar mediante software para lograr uniformidad incluso en áreas grandes, basándose en la retroalimentación del sensor.

PVA TePla ha optimizado un método de prueba física de tinta que identifica áreas en el sustrato donde se aplica una presión desigual.

"Los equipos actuales proporcionan mediciones detalladas de las propiedades del material durante la unión", dice Palamides. "Esta valiosa información puede mostrar cómo se comprimen los materiales, si se trituran, si se forma una capa líquida transitoria y otros indicadores clave de rendimiento del procedimiento".

Para garantizar la calidad de la interfaz, Palamides recomienda analizar muestras mediante técnicas de inspección no destructivas, como la microscopía acústica de barrido (SAM) o la microscopía electrónica de barrido/espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (SEM-EDS). Posteriormente, las muestras de prueba pueden analizarse destructivamente y fabricarse en especímenes de prueba mecánicos estándar para recopilar datos repetibles.

Si bien existe un interés creciente en la unión por difusión, todas las aplicaciones requieren una investigación exhaustiva para optimizar el proceso de unión. Sólo unas pocas empresas globales pueden trabajar con los fabricantes durante el proceso para asesorarlos sobre la adopción de sistemas comerciales. Asociarse con un experto en unión por difusión brindará a los fabricantes una ventaja competitiva desde el diseño de piezas hasta el aumento de la producción.

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