MATERIAS PRIMAS

MEMORIA DESCRIPTIVA

[0001] La presente invención se refiere a un método para obtener aleaciones metálicas, preferentemente aleaciones metálicas nanocristalinas, a partir de un conjunto de materias primas en forma de polvos, láminas finas o una combinación de las mismas.

[0002] El método opera principalmente mediante la inclusión de defectos cristalinos en las materias primas y aplicación de un campo centrífugo de baja energía y calor para facilitar la difusión atómica.

ANTECEDENTES

[0003] En la actualidad existen distintos procedimientos o métodos para la fabricación de aleaciones metálicas a partir de materias primas en la forma de polvos o láminas, con distintos tipos de aplicaciones.

[0004] Por ejemplo, en la publicación US 4900635 (A), correspondiente a una patente de

Williams International Corporation, se divulga un método para la fabricación de un rotor de una turbina a partir de una mezcla de materias primas en la forma de polvos, buscando obtener un producto con alta resistencia a la deformación por fluencia lenta ( creep ) y resistencia a la tracción moderada. En este caso, los polvos de materias primas son añadidos a un molde que gira en forma secuencial y controlada, tanto respecto a la tasa de alimentación de los polvos dentro del molde como al tipo y tamaño de las partículas de los polvos. Mediante dicho procedimiento puede obtenerse un producto final formado por zonas que tienen distintas concentraciones de materiales y, por lo tanto, una distribución de resistencia a la fluencia y tracción especiales.

[0005] Por otra parte, en la publicación EP 3211647 (Bl), correspondiente a una Patente de Hitachi Metals, Ltd., se divulga un método para producir piezas magnéticas sinterizadas usando polvos de tierras raras. En este caso, los polvos de las tierras raras y una pieza magnética sinterizada son mezclados en una cámara de proceso empleando rotación y calor, favoreciendo procesos de difusión atómica, en particular la difusión de los elementos de tierras raras hacia el interior de la pieza magnética sinterizada, obteniéndose un magneto sinterizado basado en R-T- B, es decir, un magneto permanente formado por al menos un elemento de tierras raras y al menos un metal de transición.

[0006] Al respecto, ninguno de los métodos propuestos en las publicaciones anteriores se refiere a un método para obtener aleaciones metálicas, preferentemente aleaciones metálicas nanocristalinas, aplicable para materias primas en la forma de polvos, láminas o una combinación de las mismas, permitiendo un amplio abanico de aplicaciones para las aleaciones metálicas obtenidas.

[0007] En este contexto, se ha desarrollado un nuevo método para sintetizar aleaciones metálicas mediante la aplicación de un campo centrífugo de baja energía, que se encuentra divulgado en la publicación titulada“Novel route to synthesize metallic alloys by applying low energy centrifugal field” de Claudio Aguilar et al (DOI 10.1002/pssb.201600641). En dicha publicación se propone un método para sintetizar aleaciones metálicas a partir de mezclas de polvos de cobre (Cu) y cromo (Cr) o cobre (Cu) y níquel (Ni) molidos separadamente por 8 horas, en donde dichas mezclas son compactadas y al menos dos de dichas mezclas sometida a un campo centrífugo mediante rotación a 6000 rpm durante 2 y 4 horas, aplicando temperaturas de 180 y 230 °C, favoreciéndose la difusión atómica. Sin embargo, esta publicación, además de encontrarse centrada para los sistemas Cu-50% en peso Ni y Cu-50% en peso Cr, no profundiza en un método para obtener distintas aleaciones metálicas a partir de un conjunto de materias primas que sea reproducible en escala industrial, siendo una primera aproximación al objeto de la presente invención. Además, dicha publicación no ofrece la alternativa de obtener aleaciones metálicas a partir de materia prima en la forma de láminas, favoreciendo los mecanismos de difusión atómica en la interfaz entre láminas o entre una lámina y polvos sobre ella. [0008] Por lo tanto, resulta necesario contar con un método capaz de diferentes obtener aleaciones metálicas a partir de un conjunto de materias primas, que sea aplicable tanto a materias primas en la forma de polvos como en materias primas en la forma de láminas o una combinación de láminas y polvos, favoreciendo los mecanismos de difusión atómica en las interfaces correspondientes y facilitando la obtención de nuevas aleaciones metálicas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

[0009] La invención se refiere a un método para obtener aleaciones metálicas a partir de un conjunto de materias primas.

[0010] En particular, uno de los objetivos de la presente invención es establecer un método para la obtención de aleaciones metálicas nanocristalinas en forma de polvos o láminas finas. Dicho método opera principalmente mediante la inclusión de defectos cristalinos en las materias primas, por ejemplo, mediante molienda de alta energía en el caso de polvos o extrusión hidroestática u otro proceso de conformación mecánica en el caso de láminas, sumado a la aplicación de un campo centrifugo de baja energía y calor para facilitar la difusión atómica.

[0011] El producto final consiste en un material particulado o en forma de lámina con una composición química fuera de su equilibrio termodinámico, donde el espesor de la zona de difusión atómica es controlado a través de la energía impuesta por el campo centrífugo. Esto permite obtener nuevos materiales cuyas propiedades mecánicas, eléctricas y fisicoquímicas varían de forma controlada a nivel nanométrico.

[0012] De acuerdo a lo anterior, el método método para obtener aleaciones metálicas a partir de un conjunto de materias primas de la invención comprende las siguientes etapas:

a) incluir defectos cristalinos en las materias primas;

b) disponer las materias primas en al menos un recipiente;

c) hacer girar el recipiente con las materias primas para someterlas a un tratamiento de campo centrífugo aplicando calor, en donde el campo centrífugo tiene una energía de rotación de entre 0,1 y 450 kJ/mol y la temperatura aplicada es de entre 50 y 800 °C, en donde dicha energía de rotación y dicha temperatura se aplican durante un tiempo de entre 30 minutos a 30 horas; y

d) obtener la aleación metálica en el recipiente.

[0013] De acuerdo con una modalidad de la invención el conjunto de materias primas puede estar formado por una o más materias primas en la forma de polvos, una o más materias primas en la forma de láminas o una combinación de las anteriores, en donde cada materia prima puede corresponder a polvos o láminas formadas por elementos metálicos puros, semimetales o aleaciones metálicas de dichos elementos (elementos metálicos puros y/o semimetales).

[0014] De acuerdo con una primera modalidad de la invención, cuando las materias primas se encuentran en la forma de polvos:

la etapa a) comprende incluir defectos cristalinos en las materias primas mediante molienda de alta energía;

la etapa b) además comprende mezclar los polvos de materias primas en forma homogénea y compactar la mezcla de polvos; y

la etapa c) comprende someter la mezcla de polvos al tratamiento de campo centrífugo aplicando calor.

[0015] De acuerdo con dicha modalidad, la molienda de alta energía puede comprender usar un molino del tipo Shaker, un molino planetario o un molino atritor. Adicionalmente, la aleación metálica obtenida en la etapa d) puede tener forma de partículas. Dichas partículas usándose, por ejemplo, como insumo para procesos de compactación y sinterizado, laminación de polvos o directamente en la forma de partículas obtenida.

[0016] Por otra parte, de acuerdo con una segunda modalidad de la invención, cuando las materias primas se encuentran en la forma de láminas:

la etapa a) comprende incluir defectos cristalinos en las materias primas por conformación mecánica; la etapa b) comprende colocar dos o más láminas de materias primas en contacto una sobre la, formando un conjunto de láminas; y

la etapa c) comprende someter el conjunto de láminas al tratamiento de campo centrífugo aplicando calor.

[0017] De acuerdo con dicha modalidad, la etapa b) además puede comprender la sub-etapa de laminar el conjunto de láminas antes de disponerlo en el recipiente, dicha laminación realizándose mediante conformación mecánica.

[0018] De acuerdo con una modalidad de la invención que emplea el uso de láminas, la conformación mecánica utilizada en cualquiera de las etapas del método se selecciona del grupo que comprende laminación convencional, extrusión de alta energía, extrusión de canal angular constante, extrusión hidrostática o combinación de los anteriores. Además, otros métodos de conformación mecánica de alta energía también son aplicables.

[0019] De acuerdo con una modalidad de la invención que emplea el uso de láminas, la etapa b) además puede comprender aplicar presión al conjunto de láminas en el recipiente. Dicha presión puede mantenerse en forma ser constante o variable durante toda la etapa c) del método. Adicionalmente, la etapa c) puede comprender someter el conjunto de láminas al tratamiento de campo centrífugo aplicando calor durante un tiempo de entre 30 minutos a 10 horas. Finalmente, de acuerdo con una modalidad la aleación metálica obtenida en la etapa d) está formada por dos o más láminas unidas entre sí por difusión atómica.

[0020] Por último, de acuerdo con una tercera modalidad de la invención, el método comprende una etapa previa de laminación conjunta de al menos una materia prima en la forma de polvos y al menos una materia prima en la forma de láminas, en donde dicha laminación conjunta permite, por ejemplo, enriquecer superficialmente las láminas con los polvos. De acuerdo con esta modalidad, la etapa b) puede comprender disponer la al menos una materia prima en la forma de polvos sobre la al menos una materia prima en la forma de láminas, comprendiendo además laminar la mezcla de polvos y láminas antes de disponerla en el recipiente, formando un conjunto laminado de láminas y polvos.

[0021] Alternativamente, en dicha tercera modalidad el conjunto laminado de láminas y polvo puede estar formado por una estructura de láminas y polvos alternada, formada por una disposición lámina-polvos-lámina o por una disposición conjunto de láminas-polvos-conjunto de láminas, ya sea de las mismas materias primas o de materias primas diferentes.

[0022] Finalmente, el método de la invención además puede comprender aplicar una atmósfera inerte o reductora en el recipiente con las materias primas, para eliminar la presencia de óxidos en las materias primas, en donde dicho recipiente es un recipiente cerrado herméticamente como un portamuestras. Alternativamente, es posible aplicar vacío en el recipiente con cierre hermético, dicho vacío buscando mejorar el contacto entre partículas o láminas al interior del recipiente.

[0023] De acuerdo con la modalidad de la invención que emplea una atmósfera inerte, el portamuestras o recipiente cilindrico cerrado herméticamente y la muestra o materias primas en su interior, se introducen en una cámara, como una cámara de guantes, en presencia de un gas inerte como argón (Ar) o nitrógeno (N), por ejemplo argón ultra puro con 99,999% de pureza con <2 ppm de 0 _2. De acuerdo con esta modalidad, las muestras se introducen en el portamuestra el cual se cierra en presencia de atmosfera inerte dentro de la cámara. Luego se retira el portamuestra desde la cámara y se somete al campo centrifugo.

[0024] De acuerdo con la modalidad de la invención que emplea vacío, la muestra se introduce en el portamuestra o recipiente el cual es sometido a un vacío de, por ejemplo, 2 x 10 ³ mbar. Luego que el vacío está realizado se somete el recipiente al campo centrífugo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UNA MODALIDAD PREFERENTE

[0025] Como se ha indicado anteriormente, las etapas esenciales del método de la invención comprenden:

a) incluir defectos cristalinos en las materias primas; b) disponer las materias primas en un recipiente;

c) hacer girar el recipiente con las materias primas para someterlas a un tratamiento de campo centrífugo aplicando calor, en donde el campo centrífugo tiene una energía de rotación de entre 0,1 y 450 kJ/mol y la temperatura aplicada es de entre 50 y 800 °C, en donde dicha energía de rotación y dicha temperatura se aplican durante un tiempo de entre 30 minutos a 30 horas; y

d) obtener la aleación metálica en el recipiente.

[0026] En este sentido, la tabla 1 muestra las variables de control que se pueden modificar y controlar para operar el método de la invención, identificando los límites señalados, que se presentan como algunas modalidades de ejemplo.

Tabla 1 : Variables de control

[0027] El radio de giro y velocidad de giro del recipiente con las muestras o materias primas incidirán en la energía que se aplica sobre dichas materias primas, acorde una ecuación que relaciona la energía con el peso molecular de las especies involucradas, el radio de giro y la velocidad de giro.

[0028] Los rangos de las variables indicadas anteriormente permiten procesar materiales con diferentes propiedades físicas como; densidad, temperatura de fusión, energía de activación, peso atómico y estructura cristalina. Por ejemplo, se pueden procesar metales de bajo punto de fusión como el aluminio (Al) y metales de alto punto de fusión como el titanio (Ti).

[0029] Considerando lo anterior, la presente invención permite confeccionar distintos tipo s de aleaciones metálicas para distintas aplicaciones, como por ejemplo las siguientes:

Industria electrónica

• InGaN/GaN · AlInN/GaN

• GaN/AlGaN · TiSiN

• InGaAsN/GaN · Si/SiGe

• InAs/GaSb · Cu/Ni

• GaAsBi/GaAsBi

Industria térmica

• Cu-Cr · Al-Cu

• Cu-Mo 20 · Cu-Zr

• Cu-W

Aleaciones en general

• Aleaciones con 2 o 3 componentes metálicos

[0030] En este contexto, el método de la invención busca obtener los productos siguientes productos generales:

Aleaciones por medio de aplicación de campo centrífugo, para lo cual se mezclan polvos de diferentes metales deformados previamente y son sometidos a campo centrífugo. Controlando el tiempo, temperatura, velocidad de giro, radio de giro se pueden obtener diferentes tipos de aleaciones.

Materiales multicapas (conjunto de láminas unas sobre otras), para lo cual se colocan dos pastillas ó laminas en contacto, se deforman y luego se someten a campo centrífugo. Para obtener un material con varias láminas el proceso se repite varias veces. El proceso es selectivo en difusión de átomos porque los átomos con mayor peso atómico son los que son afectados mayoritariamente por el campo centrífugo. El proceso de difusión aporta a unión química de las láminas. Se obtiene es un material multicapas con láminas con composición y propiedades diferentes.

Soldadura de dos materiales a través de aplicación de campo centrífugo, controlando el tiempo, temperatura, velocidad de giro, radio de giro y tipo de aleaciones.

[0031] Sin perjuicio de lo anterior, para analizar las modalidades preferentes de la invención resulta necesario referirse a las tres opciones de operación que ofrece el método en cuestión, dichas opciones relacionadas con el formato de las materias primas utilizadas en el procedimiento, es decir, si se obtiene la aleación metálica a partir de materias primas en la forma de polvos, materias primas en la forma de láminas o una combinación de las anteriores.

Aleación metálica a partir de polvos de materias primas

[0032] De acuerdo con una modalidad preferente de la invención, en el caso de obtener una aleación metálica a partir de materias primas en la forma de polvos, se tiene que:

la etapa a) de incluir defectos cristalinos en las materias primas comprende aplicar molienda de alta energía, en donde los polvos se muelen en forma separada en molinos de alta energía tales como del tipo Shaker, molino planetario o molino atritor, dicha molienda aplicándose por tiempos de entre 8 y 100 horas dependiendo de los elementos que conformarán la aleación metálica;

la etapa b) de disponer las materias primas en un recipiente comprende mezclar los polvos de materias primas en forma homogénea, para lo cual puede usarse un mezclador convencional. Adicionalmente, en la etapa b) la mezcla de polvos se compacta usando una prensa convencional;

la etapa c) de hacer girar el recipiente con las materias primas para someterlas a un tratamiento de campo centrífugo de baja energía aplicando calor, comprende generar un campo centrífugo que tiene una energía de rotación de entre 0,1 y 450 kJ/mol y aplicar una temperatura de entre 50 y 800 °C, durante un tiempo de entre 30 minutos a

20 horas; y

la etapa d) de obtener la aleación metálica en el recipiente comprende obtener un producto en la forma de partículas que puede luego ser usado como insumo para procesos de compactación y sintetizado, laminación de polvos o directamente en su forma de partículas.

Ejemplo de aplicación

[0033] A modo de ejemplo, se aplica el método de la invención para sintetizar una aleación metálica formada por Cobre y Níquel como materias primas en la forma de polvos, en particular una aleación Cu-50% en peso Ni.

[0034] En este ejemplo los polvos de Cu y Ni se someten, en forma separada, a una molienda de alta energía en un molino tipo Shaker, empleando un tiempo de molienda de 8 horas para formar polvos nanométricos. Luego, se realiza la mezcla de los polvos de las materias primas empleando un mezclador convencional por un tiempo de 30 minutos, obteniendo una configuración de mezcla homogénea de polvos. Posteriormente, la mezcla de polvos es compactada a una presión de compactación de 25 MPa, generando un disco de polvos compactados de diámetro 8 mm y altura 4 mm, dentro de al menos un recipiente. El recipiente con el disco de polvos compactados es introducido en un dispositivo de rotación que posee un radio de giro de 150 mm y aplica una velocidad de rotación de 6000 rpm. Además, dicho dispositivo de rotación aplica una temperatura de 180 °C durante la rotación, que es mantenida por un tiempo de 2 horas, aplicando una energía de 3,2 kJ/mol.

[0035] Mediante este ejemplo se obtienen partículas de aleación metálica Cu-50% en peso Ni que presentan una difusión atómica uniforme, distribuyendo los elementos que conforman la aleación en forma uniforme dentro de cada partícula. Aleación metálica a partir de láminas de materias primas

[0036] De acuerdo con una modalidad preferente de la invención, en el caso de obtener una aleación metálica a partir de materias primas en la forma de láminas, se tiene que:

la etapa a) de incluir defectos cristalinos en las materias primas comprende aplicar un método de conformación mecánica, por ejemplo, por laminación con un laminador convencional;

la etapa b) de disponer las materias primas en un recipiente comprende colocar las láminas de uno o más elementos una sobre otra en forma de sándwich y, adicionalmente, aplicar presión para garantizar el correcto contacto entre las superficies; la etapa c) de hacer girar el recipiente con las materias primas para someterlas a un tratamiento de campo centrífugo de baja energía aplicando calor, comprende generar un campo centrífugo que tiene una energía de rotación de entre 0,1 y 450 kJ/mol y aplicar una temperatura de entre 50 y 800 °C, durante un tiempo de entre 30 minutos a 10 horas; y

la etapa d) de obtener la aleación metálica en el recipiente comprende obtener un producto en la forma de láminas unidas por difusión atómica, en donde el espesor de la zona de difusión atómica es controlado por la energía de rotación aplicada.

Ejemplo de aplicación

[0037] A modo de ejemplo, se aplica el método de la invención para sintetizar una aleación metálica formada por Cobre y Níquel como materias primas en la forma de láminas, en particular una aleación Cu-50% en peso Ni.

[0038] En este ejemplo las láminas de Cu y Ni se someten, en forma separada, a una deformación de alta energía en un laminador convencional, aplicando una deformación del 70% en cada lámina. Con ello, se obtienen dos láminas, una de cobre y otra de níquel, con 10 mm de ancho y 40 mm de largo. Posteriormente, las láminas son dispuestas una sobre otra dentro de al menos un recipiente, en una configuración lámina/lámina que forma un conjunto de láminas. El recipiente con el conjunto de láminas es introducido en un dispositivo de rotación que posee un radio de giro de 150 mm y aplica una velocidad de rotación de 6000 rpm. Además, dicho dispositivo de rotación aplica una temperatura de 230 °C durante la rotación, que es mantenida por un tiempo de 4 horas, aplicando una energía de 3,2 kJ/mol.

[0039] Mediante este ejemplo se obtienen láminas unidas de aleación metálica Cu-50% en peso Ni que presentan una zona de difusión atómica uniforme, en donde el espesor de la zona de difusión atómica es controlado por energía de rotación aplicada.

[0040] De acuerdo con una modalidad preferente de la invención, en el caso de obtener una aleación metálica a partir de materias primas en la forma de láminas y polvos, se tiene que:

la etapa a) de incluir defectos cristalinos en las materias primas comprende:

• aplicar molienda de alta energía, por ejemplo, por molienda en un molino Shaker, por tiempos de entre 8 y 100 horas dependiendo de los elementos que conformarán la aleación metálica, en el caso de los polvos; y

• aplicar un método de conformación mecánica, por ejemplo, por laminación con un laminador convencional en el caso de las láminas; la etapa b) de disponer las materias primas en un recipiente comprende colocar una las láminas y polvos en forma alternada, disponiendo los polvos sobre la superficie de las láminas;

la etapa c) de hacer girar el recipiente con las materias primas para someterlas a un tratamiento de campo centrífugo de baja energía aplicando calor, comprende generar un campo centrífugo que tiene una energía de rotación de entre 0,1 y 450 kJ/mol y aplicar una temperatura de entre 50 y 800 °C, durante un tiempo de entre 30 minutos a 20 horas; y

la etapa d) de obtener la aleación metálica en el recipiente comprende obtener un producto en la forma de láminas con superficies enriquecidas con la materia prima en la forma de polvo, dichas láminas unidas por difusión atómica, en donde el espesor de la zona de difusión atómica y la dispersión de los polvos es son controlados por la energía de rotación aplicada.

Ejemplo de aplicación

[0041] A modo de ejemplo, se aplica el método de la invención para sintetizar una aleación metálica formada por Cobre y Níquel como materias primas en la forma de láminas y polvos, en particular una aleación Cu-50% en peso Ni con una configuración lámina/polvos/lámina.

[0042] En este ejemplo las láminas se someten, en forma separada, a una deformación de alta energía en un laminador convencional, aplicando una deformación del 70% en cada lámina. Con ello, se obtienen dos láminas con 10 mm de ancho y 40 mm de largo. Adicionalmente, los polvos son sometidos a una molienda de alta energía en un molino tipo Shaker, empleando un tiempo de molienda de 8 horas para formar polvos nanométricos Posteriormente, una lámina es dispuestas dentro de al menos un recipiente, aplicando una capa de polvos distribuida homogéneamente sobre la lámina, para luego disponer la segunda lámina sobre la capa de polvos en una configuración lámina/polvos/lámina que forma un conjunto de láminas y polvos. El recipiente con el conjunto de láminas y polvos es introducido en un dispositivo de rotación que posee un radio de giro de 150 mm y aplica una velocidad de rotación de 6000 rpm. Además, dicho dispositivo de rotación aplica una temperatura de 230 °C durante la rotación, que es mantenida por un tiempo de 4 horas, aplicando una energía de 3,2 kJ/mol.

[0043] Mediante este ejemplo se obtienen láminas unidas de aleación metálica Cu-50% en peso Ni que presentan una zona de difusión atómica uniforme y enriquecida superficialmente con los polvos, en donde el espesor de la zona de difusión atómica y la dispersión de los polvos son controlados por la energía de rotación aplicada.