Microfusión de Ti-6Al-4V: análisis y control de defectos

Abstract

The current interest in titanium alloys arises from the properties of these kind of materials, making them ideal for high added value applications, such as that of the aeronautical sector. The use of titanium components in turbines is allowing significant aircraft consumption reduction, and thus in the pollution levels. However, since manufacturing titanium components requires meeting high quality specifications, specific manufacturing processes are required. In this regard, the investment casting highlight such as efficient and versatile manufacturing method, capable for the complex component mass production and leading to a minimum level of material waste. The drawback is the high reactivity of the titanium alloys, a fact which involves unusual melting technologies and specific mould materials in order to control the defect formation. The present research work studies the titanium part casting manufacturing process. Hereof, the cold crucible technology is used, allowing the titanium melting under lack of ceramics and controlled atmosphere conditions. The complexity of this technology requests an accurate control of the most relevant parameters, necessary for the process characterization and defining the most efficient improvement strategies so as to reduce the energy losses and improve the properties of the melt. Simulation tools allow defining the most appropriate mould geometry and studying the influence of different process parameters on the correct cavity filling. The results here obtained are experimentally contrasted. The formation of internal defects is also analyzed and different controlling methods are proposed. Finally, a deep analysis of the mould-metal interaction is carried out, a fact which implies the formation of the well-known α-case surface defect. The degradation of the mould provoked by the effect of liquid titanium is studied, and the influence of certain reaction products on the diffusion of free detrimental elements is identified. This leads to a new concept of more stable and cost-effective mould materials to achieve a less polluted titanium casting parts.

Gaur egungo arreta titaniozko aleazioetan material hauen ezaugarri singularretan dauka jatorria. Honi esker material hauek balio handiko aplikazioentzako ezin hobeak dira, aeronautika izanez aplikazio hauen adibide nabarmenetarikoena. Titaniozko osagarrien erabilera egazkin turbinetan hauen kontsumo murrizketa lortzen ari ditu, eta honen ondorioz kutzadura ere. Hala ere, osagarri hauek kalitate handiko baldintzak bete behar dituzte, eta horretarako fabrikazio prozesu bereziak beharrezkoak dira. Horrela, mikrofuzioa da pieza anitzak fabrikatzeko prosezu eraginkorrenetako bat, osagarri konplexuak sortzeko gai eta hondakin gutxiko fabrikazio modua. Baina arazorik nagusiena titaniozko aleazioen erreaktibotasuna da, zeren galdatzeko teknologia eta moldeentzako material bereziak beharrezkoak dira. Ikerketa lan honek titaniozko fundizioz lortutako piezen fabrikazioa aztertzen du. Horretarako arrago hotzeko labea erabiltzen da, honen bidez galdaketa prosezua zeramiko gabezian eta atmosfera inerte baldintzan burutzen da. Teknologia honen konplexutasuna parametro garratzitsuen kontrol zehatza behartzen ditu, prozesuaren karakterizazioa lortzekotan eta bohetze estrategia ezberdinak eratu nahian energi galerak murrizteko eta metal urturen propietateak hobetuz. Simulazio tresnak moldearen geometria egokiena finkatzeko erabili izan dira, eta baita parametro desberdinen eragina aztertzeko moldearen betetze prozesuan. Lortutako emaitzak enpirikoki egiaztatu dira. Simulazio tresnen bitartez barneko akatsen eraketa aztertu izan da ere, eta hainbat aukera proposatu dira hauek kontrolatu nahian. Azkenik, metal-moldearen arteko elkarrekintzagaitik gainazalean sortzen den α-case akats ezagunaren azterketa sakona eginten da. Titanio urtutak eragindako moldearen degradazioa ikertuz erreakzio produktu espezifiko batzuen eragina antzeman izan da helburuzko piezarentzako elementu kaltegarrien difusioan. Honen bitartez moldeentzako material egonkorrago eta merkeago bat zehaztu da kutsadura gutxiko piezak lortzeko.

El interés actual en las aleaciones de titanio es debido a las propiedades con las que cuentan este tipo de materiales, que las hace ideales para aplicaciones de alto valor añadido como es el caso del sector aeronáutico. El empleo de componentes de titanio para las turbinas está permitiendo reducir significativamente los consumos de las aeronaves y con ello los niveles de contaminación. Sin embargo, para fabricar los componentes es necesario cumplir con las altas exigencias de calidad, por lo que son necesarios procesos de fabricación específicos. Así, la microfusión resulta ser un método de fabricación en serie eficiente y versátil, capaz de producir en masa componentes complejos y con un mínimo nivel de desecho. El inconveniente es que la elevada reactividad de las aleaciones de titanio requiere tecnologías de fusión singulares y materiales de molde específicos, a fin de controlar la aparición de defectos. El presente trabajo de investigación estudia la fabricación de piezas a partir de la fundición de titanio. Para ello se emplea la tecnología de crisol frío, que permite realizar la fusión en ausencia de cerámicos y bajo condiciones de atmósfera controlada. La complejidad de esta tecnología implica que sea necesario un preciso control de los parámetros más relevantes, a fin de caracterizar adecuadamente el proceso y poder así establecer estrategias de mejora que permitan reducir las pérdidas energéticas y mejorar las propiedades del caldo. Mediante herramientas de simulación se define la geometría de molde más adecuada y se estudia la influencia de los distintos parámetros de proceso en el correcto llenado de la cavidad. Resultados que a posterior son experimentalmente contrastados. También se analiza la formación de defectos internos y se plantean distintas alternativas para poder controlarlos. Por último, se hace un profundo análisis de la interacción molde-metal que da lugar a la formación del defecto superficial conocido como α-case. Se estudia la degradación del molde provocada por efecto del titanio líquido y se identifica la influencia que ciertos productos de reacción presentan sobre la difusión de elementos libres perjudiciales para las propiedades de la pieza final. Esto da lugar a definir un nuevo concepto en cuanto a materiales de molde más estables y económicos que permitan obtener piezas menos contaminadas.