Estudio del efecto de la fase MAX Ti2AlN en las características estructurales y funcionales del Cobre.

Abstract

Los compuestos matriz Cobre (CMCs) con altas propiedades mecánicas y léctricas son candidatos para ser usados en aplicaciones eléctricas avanzadas como electrodos para soldadura por punto, interruptores eléctricos de alto rendimiento, respaldos de objetivos giratorios de neutrones, brushes, entre otras. La ruta pulvimetalúrgica (PM) es un método eficiente para ajustar las de los materiales mediante la adición de partículas de segunda fase, y las fases MAX han demostrado reforzar eficientemente el Cu sin reducir drásticamente la conductividad eléctrica del compuesto, debido a su fuerte unión con la matriz metálica. Sin embargo, aún no se han reportado investigaciones sistemáticas sobre el efecto de la fase MAX Ti2AlN sobre las características estructurales y funcionales de los compuestos basados en Cu. Entre las interesantes propiedades de las fases MAX destacan: su bajo peso específico y coeficiente de expansión térmica, su alta resistencia mecánica y valores de módulo elástico, conductividad térmica y eléctrica, siendo además resistentes a la oxidación y al choque térmico. La presente tesis doctoral aborda entonces la síntesis y obtención de polvos de fase MAX Ti2AlN y su efecto sobre las características estructurales y funcionales del Cu en 3 capítulos principales. Inicialmente, se reporta lo investigado sobre el efecto del proceso de activación mecánica sobre la microestructura y las propiedades mecánicas del bulk de fase MAX Ti2AlN. La mezcla de polvos de Ti y AlN se preparó en una relación molar de 2:1, y una parte de este polvo se sometió a un proceso de molienda de alta energía en atmósfera de argón durante 10 horas usando ágata como medio de molienda. La densificación y la formación de la fase ternaria Ti2AlN través de la reacción en estado sólido de los polvos molidos y no molidos se llevaron a cabo mediante prensado en caliente bajo 15 o 30 MPa a 1200°C durante 2 horas. La microestructura de las mezclas de polvo precursor y las muestras consolidadas se caracterizó mediante el uso de difracción de rayos X (DRX) y un microscopio electrónico de barrido equipado con espectroscopía de rayos X dispersiva de energía (SEM/EDS). Los patrones de DRX se ajustaron utilizando el refinamiento de Rietveld para la cuantificación de fase y para determinar sus parámetros estructurales más importantes. La microestructura y las propiedades mecánicas de las muestras consolidadas se correlacionaron con la carga utilizada para el proceso de prensado en caliente. El aumento sustancial de la dureza, la mayor densificación y los tamaños de grano más bajos observados en las muestras preparadas a partir de los polvos activados se atribuyeron a la formación de segundas fases como Ti5Si3 y Al2O3.Luego, se reporta la síntesis de la fase MAX Ti2AlN mediante sinterización asistida por plasma (SPS, por sus siglas en inglés), obteniendo una pureza del 99%. Se utilizaron polvos de Ti y AlN como materiales de partida en una relación molar de 2:1, respectivamente, la cual se sometió a SPS bajo 30 MPa a 1200 y 1300 ° C durante 10 minutos en atmósfera de vacío. Finalmente, se describe la síntesis de compuestos de matriz de cobre reforzado con fase MAX Ti2AlN MAX (Cu-MAX) mediante prensado en caliente. La microestructura de los compuestos y una reacción evidente entre el refuerzo y la matriz se reporta utilizando SEM, microscopía electrónica de transmisión (MET) y difracción de rayos X (DRX). Se distinguen varias etapas hasta alcanzar una disolución completa de la fase MAX Ti2AlN en el Cu que, además de incrementarse a temperaturas más altas, depende del tamaño de partícula de refuerzo. Se observó que la difusión total de los átomos de Al de las partículas más pequeñas de Ti2AlN a la matriz de cobre generó una microestructura compuesta de Cu, solución solida de Cu (Al, Ti) y partículas de Ti-Cu-N con una microestructura nanolaminar. Los resultados de las propiedades mecánicas, físicas y eléctricas indican que los valores de densidad, dureza y resistencia a la flexión del cobre están influenciados significativamente con bajas cantidades de refuerzo. La resistencia mecánica a la flexión mostró un incremento sustancial de 355 a 855 MPa mientras se mantuvo la ductilidad al agregar 5 % en peso de Ti2AlN al Cu, mientras que la conductividad eléctrica se redujo.