La presente invención se engloba en el campo de los materiales compuestos de matriz metálica. Dicha invención es un dispositivo y el procedi ^¬ miento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10 ^~3 mm Hg, que se monta en el interior de una cámara de infiltración convencio- nal y comprende una preforma porosa, un crisol de infil ^¬ tración que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infiltrado en la misma mediante presuri- zación por gas, un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infil- tración cubriéndolo y formando asi una cámara de satura ^¬ ción cerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando así el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los materiales compuestos de matriz metálica se conocen desde hace más de 40 años. Desde entonces han sido muchos los materiales fabricados, así como también han ido en creciente desarrollo las tecnologías para fabricarlos .

Las tecnologías que se han desarrollado se han adaptado a las características del material que se pretendía fabricar, en función del tipo de matriz y refuerzo, fracción y morfología del refuerzo, compatibi ^¬ lidad físico-química de los componentes, etc.

En la patente US3547180 se expone un dispositivo para fabricar materiales compuestos por infiltración de gas. Otras descripciones generales de distintos disposi ^¬ tivos se pueden encontrar en la siguiente documentación: D. Hull, T.W. Clyne, "An Introduction to Composite Materials" Cambridge Universty Press, segunda edición, 280 (1996); K.K. Chawla, "Composite Materials" Springer, segunda edición, 168 (1998); R. Asthana, "Solidification Processing of Reinforced Metals" Trans . Tech. Publica- tions, 6 (1998) .

La gran variedad de tecnologías desarrolladas se basa en los distintos métodos en los que un refuerzo discreto, por ejemplo partículas, fibras, etc., puede combinarse con un metal para consolidar un material con propiedades finales modificadas.

Así, las diferentes tecnologías hacen uso de las técnicas de infiltración, "compo-casting", "spray depo- sition", etc. De todas las tecnologías desarrolladas, sólo la infiltración ha adquirido importancia indus ^¬ trial.

Las técnicas para la infiltración son también muy variadas: infiltración por presión de gas, infiltra ^¬ ción por presión mecánica, la técnica conocida como "drain casting", etc.

En particular, la infiltración a baja presión o presión de gas presenta muchas ventajas con respecto al resto y es por ello que ha sido objeto, con mucha dife ^¬ rencia, de un desarrollo extraordinario en los últimos años . La mayoría de las diversas tecnologías desarro ^¬ lladas y patentadas por empresas y laboratorios durante los 25 últimos años se han basado en la técnica de infiltración por gas a baja presión. En todas ellas participan los siguientes elemen ^¬ tos comunes:

a) preforma porosa que será infiltrada por el metal y que puede fabricarse de muy distintas maneras;

b) contenedor con el metal líquido;

c) recipiente a presión donde se colocan la pre ^¬ forma porosa y el metal líquido, produciéndose la infil ^¬ tración por entrada de gas presurizado.

La disposición de los componentes y la realiza- ción del proceso de infiltración han sido y son objeto de distintas patentes.

El método más habitual de realizar el proceso de infiltración es el siguiente:

a) se hace vacío a la preforma; en algunos casos cuando se hace vacío a la preforma también se realiza en todo el conjunto;

b) se calienta tanto la preforma como el metal; en algunos casos ambas se encuentran a la misma tempera- tura y en otros la preforma se encuentra a una tempera ^¬ tura inferior a la del metal;

c) se funde el metal y se pone en contacto con la preforma; en algunos dispositivos el metal fluye por sí solo hasta hacer contacto con la preforma y en otros dispositivos el metal necesita de un esfuerzo mecánico o hidráulico hasta llegar al receptáculo donde se encuen ^¬ tra la preforma;

d) se aplica presión al metal liquido para que éste penetre en la estructura porosa de la preforma y luego se enfria de manera direccional o multidireccional el crisol que contiene el material compuesto asi fabri ^¬ cado .

Las distintas patentes que protegen estos desa ^¬ rrollos tecnológicos cubren diferentes dispositivos experimentales y métodos para la fabricación de materia ^¬ les compuestos de matriz metálica en los que el metal se ha elegido de entre los más comúnmente utilizados en industria para fines diversos.

Asi, por ejemplo, se tiene que la patente de US3547180 cubre exclusivamente el metal aluminio (Al).

Sin embargo, debido al creciente número de apli- caciones que se han derivado de los materiales compues ^¬ tos se ha visto la necesidad de proteger metales como plata (Ag) , cobre (Cu) o magnesio (Mg) , como se cita en las patentes PCT/ES2008 / 000146 , US20080050589,

US6355340, US5511603, US6599466 y US5672433.

En particular el Mg ha adquirido una gran rele ^¬ vancia debido a su baja densidad y a sus propiedades mecánicas y termomecánicas . En todas estas patentes la variedad de refuerzos protegidos es notable; si bien en todos los casos citados se utiliza el Mg y la técnica de infiltración son muy pocos los casos en los que se aporta un ejemplo de fabricación de un material compues ^¬ to con este metal. Esto es debido a que los dispositivos protegidos están adaptados a la fabricación de materiales compues ^¬ tos con Al pero no tienen en cuenta las particularidades del Mg que hacen que su fabricación mediante la técnica de infiltración con estos dispositivos sea impractica- ble .

El Mg, asi como otros muchos metales, tiene la peculiaridad de tener una elevada presión de vapor. Además, en estado liquido adquiere una elevada reactivi- dad, pudiendo reaccionar violentamente con el oxigeno y el vapor de agua del ambiente. Estas características hacen que el Mg y los metales con propiedades similares no puedan ser procesados en atmósferas oxidantes o de vacío y necesitan tecnologías específicamente adaptadas.

Estas consideraciones han sido en muchos casos directamente obviadas, pudiéndose demostrar que experi- mentalmente es imposible la fabricación de materiales compuestos de matriz de Mg (y por extensión, de metales con elevada presión de vapor y/o con elevada afinidad por el oxígeno en estado líquido) con las tecnologías patentadas .

Por ejemplo, el dispositivo de molde abierto que se propone en US5672433 para el trabajo con Mg resulta inviable tal y como está protegido, ya que no evita que el Mg en estado líquido esté en contacto con el aire. En otros casos, estos problemas han sido minimizados al proponerse la manipulación de la atmósfera de infiltra- ción en dos etapas:

i) en una primera etapa se hace vacío y se man ^¬ tiene hasta la fusión del metal;

ii) en una segunda etapa se aplica una presión determinada con un gas inerte o protector, cuyo uso en muchos casos está regulado debido a que están clasifica- dos como gases de efecto invernadero.

El problema que presenta este método es que es imposible evitar una evaporación considerable de los metales de elevada presión de vapor durante el tiempo que transcurre entre su fusión y la aplicación del gas inerte. Una consecuencia de esto es la pérdida de un volumen importante de metal (lo cual imposibilita su infiltración) y los graves deterioros que ocasiona su deposición en las partes más frías del equipo de infil ^¬ tración .

El uso de los dispositivos anteriores para la infiltración de aleaciones que contienen elementos aleantes de elevada presión de vapor presenta los mismos problemas. En estos casos son las especies más volátiles las que más rápidamente se vaporizan y depositan en los componentes de los dispositivos que trabajan a menor temperatura. Por poner un ejemplo, es común cuando se trabaja con aleaciones de Al-Mg encontrar depósitos metálicos ricos en Mg en las paredes de la cámara de infiltración, tubos de aplicación de vacío y terminales eléctricos . En el caso de aleaciones de cobre y cromo (Cu-

Cr) se suele añadir una cantidad en exceso de aleante para cubrir las pérdidas que se ocasionan durante el proceso de infiltración debido a que gran parte de los elementos altamente oxidables (en este caso, Cr) se transforman en sus respectivos óxidos.

Es por tanto necesaria una nueva tecnología para la fabricación de materiales compuestos por infiltración en medios porosos de metales líquidos con elevada pre- sión de vapor. Esta patente expone la invención de un disposi ^¬ tivo y el procedimiento de utilización del mismo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 1CT ³ mm Hg, que se monta en el interior de una cámara de presión y comprende una preforma porosa, un crisol de infiltra ^¬ ción que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal que será infiltrado en la misma mediante presuri- zación por gas, un crisol de saturación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infil ^¬ tración cubriéndolo y formando asi una cámara de satura ^¬ ción cerrada, sencillo de montar, adaptable a cualquier dispositivo de infiltración convencional y que evita pérdidas apreciables de metal, posibilitando así el proceso de infiltración del metal en el espacio poroso de la preforma.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención queda establecida y carac ^¬ terizada en las reivindicaciones independientes, mien ^¬ tras que las reivindicaciones dependientes describen otras características de la misma.

A la vista de lo anteriormente enunciado, la presente invención se refiere a un dispositivo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor, siendo ésta superior a 10 ^~3 mm Hg.

Dicho dispositivo comprende distintos elementos: una preforma porosa, un crisol de infiltración que alberga a su vez dicha preforma porosa y el metal líqui ^¬ do que será infiltrado en la misma, produciéndose la infiltración mediante gas presurizado.

El dispositivo comprende además un crisol de sa ^¬ turación dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración cubriéndolo y forman ^¬ do asi una cámara de saturación cerrada. Una ventaja del dispositivo es el fácil montaje y desmontaje pues no consiste más que en el deslizamien ^¬ to de dos crisoles.

Otra ventaja es que la saturación de la cámara en vapor metálico impide pérdidas volumétricas importan ^¬ tes del metal por evaporación.

Además, debido a su sencillez se puede adaptar en cualquier dispositivo o máquina de infiltración convencional sin más que cubrir el crisol de infiltra ^¬ ción con otro crisol de saturación.

Asimismo, la invención se refiere a un procedi ^¬ miento de utilización del dispositivo descrito anterior- mente y que comprende las siguientes etapas:

a . disposición de la preforma porosa en el inte ^¬ rior del crisol de infiltración, y del metal infiltrante en su parte superior por encima de dicha preforma poro ^¬ sa,

b . disposición del crisol de saturación invertido cubriendo el crisol de infiltración con la función de crear una cámara de saturación cerrada para lograr la saturación del vapor metálico,

c. aplicación de vacío a dicho dispositivo hasta un valor por debajo de 50 mbar,

d. aumento de la temperatura del dispositivo has ^¬ ta al menos la temperatura de fusión del metal,

e. aumento de la presión interior de la cámara del dispositivo mediante la aplicación de gas presuriza- do a la máquina de infiltración donde esté instalado el dispositivo para forzar al metal liquido a infiltrar en el interior de la preforma porosa,

f . solidificación del metal liquido.

Una ventaja de dicho procedimiento es que debido a que el espacio libre en la cámara cerrada es controla ^¬ ble y limitado la saturación en vapor metálico se alcan ^¬ zará antes de que las pérdidas de metal sean significativas .

Otra ventaja es que al funcionar en vacio se puede trabajar con metales con elevada afinidad por el oxigeno en estado liquido, pues la oxidación deja de ser un problema ya que el vacio actúa como si fuese una atmósfera reductora.

Otra ventaja es que evita la deposición del me ^¬ tal en los componentes del dispositivo pues la cámara cerrada de saturación actúa de trampa caliente para el vapor metálico impidiendo su deposición y posterior evaporación .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Se complementa la presente memoria descriptiva con un juego de figuras, ilustrativas del ejemplo prefe ^¬ rente, y nunca limitativas de la invención. La figura 1 representa una vista en corte del dispositivo .

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un dispositivo para la infiltración de preformas porosas con metales líquidos de alta presión de vapor y en un procedimiento de utilización del mismo.

Con alta presión de vapor se específica la supe ^¬ rior a 10 ^~3 mm Hg.

Dicho dispositivo (1) comprende distintos ele ^¬ mentos: una preforma porosa (2), un crisol de infiltra ^¬ ción (3) que alberga a su vez dicha preforma porosa (2) y el metal (4) que será infiltrado en la misma, produ ^¬ ciéndose la infiltración mediante gas presurizado y un crisol de saturación (5) dispuesto de tal forma que queda invertido respecto al crisol de infiltración (3) cubriéndolo y formando así una cámara de saturación cerrada ( 6 ) .

En definitiva, el dispositivo introduce una cá ^¬ mara de saturación cerrada (6), que es el espacio ence ^¬ rrado entre el crisol de infiltración (3) y el crisol de saturación (5) fácilmente desmontable, que puede enten ^¬ derse como una trampa caliente para el vapor metálico generado en su interior. Esta cámara de saturación cerrada (6) impide que el metal se evapore por medio de la saturación del medio en vapor metálico, de manera que evita pérdidas volumétricas apreciables del metal. El término "cerrada" en relación con la cámara de saturación (6) se debe interpretar a que confina un espacio, pero que debe estar abierta en una pequeña abertura porque el vacio y la presión se aplican desde fuera y se transfieren a su interior a través de dicha pequeña abertura que queda entre los crisoles de infil ^¬ tración (3) y de saturación (5) .

Debido a su sencillez, se puede adaptar en cual- quier máquina de infiltración convencional. Dicha adap ^¬ tación resulta de cubrir el crisol de infiltración (3) que contiene la preforma porosa (2) a infiltrar y el metal infiltrante con otro crisol de saturación (5) invertido que se ajuste lo más posible al anterior. De esta forma la preforma porosa (2) y el metal quedan encerrados en la cámara de saturación cerrada (6) cuyo montaje y desmontaje solamente implica el deslizamiento de ambos crisoles, crisol de infiltración (3) y crisol de saturación (5) entre si.

Adicionalmente, para asegurar la funcionalidad de la cámara de saturación cerrada (6), se puede colocar una pieza mecanizada de material aislante térmico que actúe de capucha, no mostrada en las figuras, sobre el crisol de saturación (5) invertido en la parte superior del dispositivo, con objeto de mantener dicho crisol siempre a temperatura más elevada que el resto.

El dispositivo resultante puede ser introducido en el interior de cualquier cámara de infiltración convencional a la que se le puede aplicar vacio, elevar la temperatura y aplicar presión por medio de un gas.

El material del que está hecho el crisol de in- filtración (3) se selecciona de manera preferente del siguiente grupo: acero comercial, grafito, cerámica de alta densidad del tipo AI ₂ O ₃ o S Í O2 . Además, dicho material puede estar modificado superficialmente para evitar cualquier reacción química con el metal infil- trante.

El material del que está hecho el crisol de sa ^¬ turación (5) se selecciona de manera preferente del siguiente grupo: acero comercial, grafito, cerámica de alta densidad del tipo AI ₂ O ₃ o S Í O2 . Además, dicho mate ^¬ rial puede estar modificado superficialmente para evitar cualquier reacción química con el metal infiltrante.

El material del que está hecha la capucha de aislamiento térmico, en caso de utilizarse cubriendo al crisol de saturación (5), se selecciona de manera prefe ^¬ rente del siguiente grupo: cerámica de alta o baja densidad del tipo AI ₂ O ₃ o S Í O2 , cerámica de base AI ₂ O ₃ o S Í O2 de textura porosa y de alta capacidad de mecanizado.

Los metales líquidos de alta presión de vapor (P _v ) , siendo ésta superior a 10 ^~3 mm Hg se seleccionan de manera preferente del siguiente grupo de metales puros o aleaciones que los pueden contener: Sr, Ca, Pb, Zn, Mg, Mn y Cr.

El crisol de infiltración (3) es, en una reali ^¬ zación, de base preferentemente plana. El crisol de saturación (5) es, en la misma u otra realización, de base preferentemente plana o semiesférica .

El procedimiento de utilización del dispositivo (1) comprende las siguientes etapas:

a . disposición de la preforma porosa (2) en el interior del crisol de infiltración (3), y del metal infiltrante en su parte superior por encima de dicha preforma porosa (2),

. disposición del crisol de saturación (5) invertido cubriendo el crisol de infiltración (3) con la función de crear una cámara de saturación cerrada (6) para lograr la saturación del vapor metálico,

c. aplicación de vacio a dicho dispositivo (1) hasta un valor por debajo de 50 mbar,

d. aumento de la temperatura del dispositivo (1) hasta al menos la temperatura de fusión del metal,

e. aumento de la presión interior de la cámara de saturación cerrada (6) del dispositivo (1) mediante la aplicación de gas presurizado a la máquina de infiltra ^¬ ción donde esté instalado el dispositivo (1) para forzar al metal liquido a infiltrar en el interior de la pre ^¬ forma porosa (2),

f . solidificación del metal liquido.

Entre las etapas c y d se puede añadir otra eta- pa que consiste en la aplicación de un gas inerte en la cámara de saturación cerrada (6) hasta una presión inferior a la de infiltración del medio poroso con objeto de evitar la posterior evaporación del metal por efecto del vacio.

En el procedimiento descrito, el calentamiento a vacio logra la evaporación de los metales altamente volátiles. Puesto que el metal se encuentra en el inte ^¬ rior de la cámara de saturación cerrada (6) generada por ambos crisoles, crisol de infiltración (3) y crisol de saturación (5), la atmósfera del medio se enriquecerá rápidamente en vapor del metal hasta que se alcance un equilibrio, deteniéndose de este modo la evaporación del metal. Dado que el espacio libre en la cámara de satura- ción cerrada (6) es controlable y generalmente muy limitado, la saturación en vapor metálico se alcanzará antes de que las pérdidas de metal sean significativas.

El hecho de que el dispositivo permita trabajar en vacio aporta múltiples ventajas en el caso de que se trabaje con metales con elevada afinidad por el oxigeno en estado liquido, ya que la presión parcial de oxigeno en la cámara de saturación cerrada (6) de infiltración se reduce tanto que la oxidación deja de ser un problema para muchos metales.

Estos óxidos suelen ser compuestos de elevado punto de fusión. En estos casos, la presencia de una cámara de saturación cerrada (6) es de gran ayuda porque asi como para el vapor metálico ésta actúa de trampa caliente impidiendo su deposición y posterior evapora ^¬ ción, para estos óxidos, con alto punto de fusión, actúa de trampa fría, depositándose consecuentemente en las paredes interiores del crisol de saturación (5) inverti- do.

Una consecuencia sumamente positiva es que, en cualquier caso, el dispositivo permite la obtención de un material compuesto libre de óxidos.

Finalmente, un efecto práctico de gran relevan ^¬ cia es que este dispositivo evita por completo que el metal se deposite en las diferentes partes de la máquina de infiltración donde esté instalado.