Unión por difusión: Innovación para unir metales disímiles

La tecnología de unión por difusión permite combinar las propiedades de materiales diferentes. Por ejemplo en una aplicación multi-metal es posible dar mejor resistencia a la corrosión o reducir el peso. La tecnología también se ha empleado para enfriamiento de contorno.

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Contribución de PVA TePla; artículo suministrado por Carlo Chatman, Power PR

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El proceso de difusión es un método esencial de unión de metales para lograr una interfaz de alta pureza, cuando dos metales similares requieren una integridad estructural superior. El proceso involucra la aplicación de alta temperatura y presión a metales que tienen una compatibilidad, dentro de una prensa caliente, lo que causa que los átomos en las superficies sólidas metálicas se interdispersen y se unan.

Probablemente, hoy en día no hay otro método comercial viable para unión de materiales que permita tener resultados tan consistentes. La presión inducida por una herramienta de prensa caliente, combinada con sensores de ciclo cerrado y software para el control preciso a nivel micrométrico, puede producir una presión constante a través de varios decímetros cuadrados para el ensamble de un componente. Como resultado, esta tecnología ha atraído el interés de ingenieros de diseño en las industrias aeroespacial, de energía y de semiconductores.

Con un grado tan alto de control del proceso, la unión por difusión se usa cada vez más para unir metales diferentes. Los procesos comerciales de interés incluyen la unión de titanio con aleaciones de hierro y níquel, las aleaciones de titanio con acero inoxidable e incluso algunas aplicaciones de aluminio con metal. El proceso también permite el acoplamiento entre diferentes aleaciones en el mismo grupo de materiales, como acero bajo al carbono, acero para herramientas y compuestos de matriz metálica.

Para usar con éxito la unión por difusión, se requiere una comprensión de las complejidades de la interfaz y su efecto sobre las propiedades químicas y termomecánicas de la unión. 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 sénior de productos y ventas de hornos industriales PVA TePla AG, un fabricante mundial de hornos industriales y sistemas de nitruración PulsPlasma.

“Combinar las propiedades beneficiosas de diferentes metales es la razón principal para explorar la unión por difusión. Sin embargo, cuando los fabricantes se comunican [con nosotros al respecto], a menudo entienden poco acerca de cómo se deben diseñar, preparar o manipular las piezas. Es posible que tengan preguntas sobre los datos del proceso y necesiten orientación sobre temas como el calentamiento, el enfriamiento y las tasas de prensado”, dice Palamides.

Consultar con un socio de fabricación experto suele ser la forma más rápida de considerar los posibles beneficios de la unión por difusión. El enfoque también puede ayudar a adaptar la unión por difusión al proceso del fabricante de manera rentable.

Los beneficios de la unión por difusión

La importancia de diseñar una junta de metal diferente a menudo radica en el deseo de exponer la superficie de metal correcta a condiciones ambientales específicas en las que una sola aleación puede no funcionar tan bien. Otra razón es introducir sistemas de materiales que sean más livianos o que brinden un nivel de resistencia a la corrosión que solo se puede lograr “empaquetando” metales diferentes.

La unión por difusión también tiene enormes aplicaciones potenciales para el enfriamiento de contorno. El concepto es unir capas de láminas de metal que contienen estructuras de canales o microcanales maquinados. Cuando se combinan, los canales pueden proporcionar refrigeración o disipación de calor. Las capas se pueden unir hasta una altura de pila de 600 mm en la prensa de unión por difusión MOV, conservando la resistencia de los materiales originales.

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

Comprender la unión por difusión

El mundo académico ha investigado uniones disímiles durante décadas y gran parte de la atención se ha centrado en materiales de alto rendimiento como las aleaciones de titanio. Según Palamides, al expandirse más allá del titanio comercialmente puro (CP), a menudo se encuentra la existencia de una capa intermetálica en la interfaz de acoplamiento después del procesamiento. “Los elementos solutos, como Cu, Ni y Ag, son los principales impulsores de la formación de capas intermetálicas en el titanio”, dice.

El proceso de unión por difusión puede ocurrir como un proceso de unión en estado sólido o en fase líquida. Históricamente, la unión de material puro similar ha sido como una operación de estado sólido. Este método simplifica el proceso desde el punto de vista del ensamblaje, ya que las superficies de contacto se pueden emparejar fácilmente antes de colocar una carga en el horno. También se pueden usar pasadores de alineación y soldadura por puntos para este proceso. Debido a que no hay fase líquida presente en la unión por difusión, se produce una ligera deformación en la superficie. Esto resulta de la presión aplicada que se utiliza para aplanar las asperezas de la superficie y romper los óxidos superficiales residuales antes de la unión.

En el proceso de unión por difusión en fase líquida, una capa intermedia normalmente se funde en las superficies de contacto. En este caso, se usa una presión más baja que la unión por difusión de estado sólido, y se produce incluso menos deformación en la superficie. Según el ciclo térmico y la composición de la combinación de materiales de la capa intermedia y la capa intermedia seleccionada, se produce una interdifusión entre la capa intermedia y los materiales base a cada lado de la junta a través de procesos metalúrgicos conocidos como cambio de fase eutéctica o peritéctica.

El grosor de la capa de reacción intermetálica final es el resultado primero de la difusión en fase líquida y segundo de la difusión en estado sólido. La fuerza de unión es una función de los compuestos intermetálicos formados, el grosor de la zona intermetálica y anomalías, como vacíos, en la interfaz.

Explorando el proceso

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 real de una pieza específica. Cuando este sea el caso, puede ser útil asociarse con expertos con una amplia 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 sobre la introducción de nuevos diseños, y consultamos sobre posibles materiales, diseños y también realizamos corridas de unión previa según sea necesario”, dice Palamides. PVA TePla brinda soporte, incluidas combinaciones específicas de materiales, tiempos de procesamiento y temperaturas.

Señala que un diseño adecuado permitirá la unión por difusión de ensamblajes, ya sea una interfaz íntima o varias interfaces planas paralelas simultáneamente. Sin embargo, las superficies que no son 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 un diseño, el siguiente paso es fabricar muestras de prueba que sean fieles a las características de la interfaz final.

“Ubique un proveedor que pueda realizar ejecuciones de prueba de servicio por contrato. Proponga una matriz de prueba para asegurarse de que su cronograma esté alineado con los objetivos del proyecto”, dice Palamides.