Este documento resume las principales técnicas de fabricación de compuestos de matriz metálica, incluidas las técnicas de procesamiento de estado sólido como el procesamiento de agitación por fricción y la pulvimetalurgia. Describe los métodos utilizados para introducir partículas de refuerzo durante el procesamiento de agitación por fricción y cómo los parámetros del proceso afectan la microestructura y las propiedades de los compuestos resultantes. También resume los estudios sobre cómo los aditivos y parámetros de

1. Estado actual de las rutas de
fabricación para producir
compuestos de matriz metálica:
Estado del arte
Integrantes:
Diego Anastasio Matias
Pedro Blas Esquivel
Samuel Ramírez Domínguez
Ana Leyda Saldivar Miranda
Francisco Javier Segundo Rebollo
Carlos Varela Yepez
Guadalupe Nazareth Vergara Tlaseca

2. 1. Introducción
El desarrollo de la ciencia y la tecnología da como resultado la evolución de materiales avanzados que en
ultima instancia satisfacen las necesidades industriales.
El material compuesto es uno de esos materiales avanzados que tiene una aplicación potencial en varias
industrias y actualmente está reemplazando el uso de material convencional. Los compuestos se pueden
definir como materiales que consisten en una mezcla de dos o más materiales distintos. Los materiales que
tienen composiciones físicas y químicas distinguidas se combinan para tener excelentes propiedades de los
compuestos resultantes. Por lo tanto, los compuestos resultantes tendrán las ventajas de los materiales
individuales y evitarán o minimizarán las desventajas de esos materiales individuales. Técnicamente, las
aleaciones base se denominan matriz, mientras que los materiales de la fase secundaria se denominan fase de
refuerzo. Las figuras 1(a) y (b) muestran la clasificación general del material compuesto sobre la base de la
matriz y el refuerzo.
Los compuestos de matriz cerámica (CMC) normalmente encuentran aplicaciones en la fabricación de escudos
térmicos para vehículos espaciales, varios componentes de turbinas de gas como cámara de combustión,
álabes de turbina y paletas de estator, componentes del quemador, soporte de llama, freno de disco, cojinete
de contacto deslizante y muchos más [5]. Industrias aeroespaciales, industrias automotrices, industrias
marinas, uso deportivo y de ocio

3. Compuestos de matriz polimérica (PMC) [6]. Los compuestos de matriz metálica (MMC) encuentran su
aplicación en las principales industrias, incluidas las aplicaciones automotrices, aeronáuticas, marinas,
nucleares, químicas y criogénicas [7,8]. El MMC reforzado con partículas es el más popular entre varios
derivados de compuestos. Las partículas de refuerzo presentes en la matriz pueden ser un compuesto
orgánico, partículas cerámicas o algunas partículas metálicas [9,10]. En artículos recientes, se ha informado
que, entre varios compuestos, se encontró que el MMC reforzado con partículas cerámicas tiene una amplia
aplicación [11–14].
La MMC reforzada con partículas tiende a tener varias propiedades excelentes, como un módulo específico
más alto, una resistencia superior, un comportamiento estable a temperatura elevada, propiedades
tribológicas superiores y una tasa de desgaste más baja en comparación con las aleaciones convencionales
[15–17] . Las partículas comúnmente utilizadas para el refuerzo son el carburo de silicio (SiC), el óxido de
aluminio ( Al2O3), la zirconia (ZrO2), el carburo de boro (B4C), el carburo de titanio (TiC), el diboruro de titanio
(TiB2) y el nitruro de aluminio (AlN)
Debido a la investigación y el desarrollo de técnicas de procesamiento existentes o nuevas, se puede observar
un aumento constante en la demanda de MMC o la sustitución de aleaciones convencionales por MMC. Las
características de los compuestos, como la distribución de las partículas de la fase secundaria en la fase matriz,
las propiedades mecánicas, las características morfológicas, las propiedades tribológicas y muchas más,
dependen de las técnicas implementadas para fabricar el compuesto. Por lo tanto, considerando el potencial
de MMC, se hizo necesario revisar las principales técnicas de fabricación y sus características individuales.

6. 2. Técnicas de procesamiento de estado
sólido
Para fabricar los compuestos de superficie utilizando técnicas de procesamiento de estado sólido, se
ha implementado el procesamiento de agitación por fricción, mientras que los compuestos a granel
o los materiales clasificados funcionalmente se pueden fabricar utilizando pulvimetalurgia. La
fabricación de materiales compuestos a granel bajo procesamiento de estado sólido se produce
combinando o mezclando el polvo elemental en varias etapas, seguido de la consolidación. Las
técnicas consideradas bajo procesamiento de estado sólido se discuten en las secciones siguientes.

7. 2.1. Procesamiento de agitación por fricción
Esta técnica de procesamiento de superficies de estado sólido sigue el principio de Friction Stir
Welding [35] y fue reportada por primera vez por Mishra et al. [36]. El procesamiento de agitación
por fricción ha demostrado ser una técnica capaz de modificar la microestructura y las propiedades
mecánicas de los compuestos de superficie [37–40]. El funcionamiento del procesamiento de
agitación por fricción es similar a la soldadura por agitación por fricción, que implica la penetración
de una herramienta giratoria no consumible que tiene un hombro y un pasador en la pieza de
trabajo. Mishra et al. [41] y Ma [42] informaron que el movimiento transversal de la herramienta
giratoria y la acción de agitación de la herramienta darán como resultado el procesamiento del
material. La acción de agitación da como resultado deformaciones plásticas que iniciarán la
recristalización dinámica.

8. Sin embargo, el avance en las últimas décadas muestra el desarrollo de varios métodos mediante los cuales la
fase secundaria se puede introducir en la fase matriz durante el procesamiento de agitación por fricción.
Algunos de los métodos comúnmente implementados para introducir partículas de fase secundaria son [44]:
• Método de llenado de ranuras: La ranura con dimensiones predefinidas se mecaniza en la superficie del
material de la matriz. Seguido del mecanizado, las partículas de la fase secundaria se introducen en la
ranura. Después de llenar la ranura, se realiza un proceso de agitación por fricción en la ranura.
• Método de llenado y cierre de surcos: según el método anterior, se crea un surco y se introducen partículas
de fase secundaria en el surco. Después del llenado, la ranura se cierra con una herramienta sin clavijas.
Después de cerrar la ranura, el proceso de agitación por fricción se realiza con una herramienta que tiene un
pasador
• Método de llenado de orificios: : en lugar de mecanizar la ranura, se perforan pequeños orificios en la
superficie de la matriz. Se introducen partículas secundarias en esos agujeros y luego se realiza el
procesamiento de agitación por fricción. Lo mismo ha sido representado en la Fig. 4.
• Método de llenado y cierre de orificios: similar al método de llenado y cierre de ranuras, el orificio llenado
con partículas de fase secundaria se cierra primero realizando un procesamiento de agitación por fricción
con la herramienta sin pasador y el procesamiento de agitación por fricción se realiza con una herramienta
que tiene un pasador
• Método Sandwich: En este método se utilizan laminados o capas de fase secundaria. Esta fase secundaria se
coloca entre el material matriz y se realiza una disposición tipo sándwich. En el desempeño del
procesamiento de agitación por fricción, la fase secundaria se dispersa por toda la matriz.

10. Es evidencia de la literatura que la forma más común y eficiente utilizada por los investigadores es el método
de llenado y cierre de orificios o el método de llenado y cierre de surcos [45– 48]. El método de llenado y cierre
de orificios se ocupa de la penetración de partículas de refuerzo, mientras que el método de llenado y cierre de
ranuras proporciona resultados prometedores al agregar partículas de refuerzo. De la literatura existente se ha
observado que la microestructura y las propiedades mecánicas no afectan mucho independientemente de la
técnica adoptada para agregar las partículas de refuerzo. Cabe señalar que la dimensión de la ranura juega un
papel importante en la decisión de la fracción de volumen de partículas de refuerzo incorporadas en la matriz.
Por lo tanto, se hace necesario comprender la relación entre el volumen de la ranura y el contenido de
partículas de refuerzo que se incorporarán a la matriz. Teóricamente, al suponer un empaquetamiento del
100% de las partículas de refuerzo, la fracción de volumen de las partículas de refuerzo se puede dar mediante
las ecuaciones.

11. De manera similar, la fracción de volumen para el método del agujero se puede determinar utilizando las
ecuaciones (4)–(6) [53–56]. Sin embargo, cabe señalar que existe un procedimiento establecido para medir la
fracción de volumen exacta de las partículas de refuerzo en los materiales compuestos de la superficie. Las
ecuaciones informadas solo proporcionan una estimación de la fracción de volumen que tiene una
discrepancia de alrededor del 10-30%

12. La microestructura de los compuestos de superficie resultantes depende de ciertos parámetros del proceso,
como la velocidad de rotación de la herramienta, la velocidad transversal de la herramienta, la carga axial, la
dimensión de la herramienta, el perfil del pasador de la herramienta, el número de pasadas, el tamaño y la
fracción de peso/volumen de las partículas de refuerzo y muchos más. No solo esto, sino que los parámetros
del proceso antes mencionados también alteran las propiedades mecánicas, las propiedades de corrosión y las
propiedades de desgaste de los compuestos de superficie resultantes. Tanto la velocidad de rotación de la
herramienta como la velocidad transversal son parámetros sensibles. El aumento de la velocidad de rotación y
la disminución de la velocidad transversal tienden a generar más calor en la zona de procesamiento. En última
instancia, esto conducirá al crecimiento del grano y al ablandamiento del material [64,65]. Por otro lado, la
reducción de la velocidad de rotación de la herramienta y el aumento de la velocidad transversal dan como
resultado la generación de falta de calor. Por lo tanto, se hace necesaria una cuidadosa selección de estos dos
parámetros.
De la literatura existente se puede observar que las aleaciones comúnmente utilizadas para la fase matriz son
el aluminio, el magnesio y el cobre, mientras que existe una gran variedad de partículas de la fase secundaria.
Dinaharan [83] investigó el cambio en la microestructura y las propiedades mecánicas de los compuestos
superficiales al variar las partículas cerámicas. Como fase matriz se utilizó AA 6082 y las diferentes partículas de
refuerzo fueron SiC, Al2O3, TiC, B4C y WC. Al investigar la microestructura y las propiedades mecánicas de
varios compuestos de superficie, se informó una variación insignificante en el tamaño de grano, la resistencia a
la tracción y la dureza. De la Fig. 5 (a) – (e), se puede observar que la acción de agitación de la herramienta
giratoria conduce al refinamiento de las partículas de la fase secundaria y tiende a distribuir estas partículas
homogéneamente por toda la superficie de la matriz. Sin embargo, tanto la máxima resistencia a la tracción
como la dureza se observaron para el compuesto AA 6082/TiC

15. PULVIMETALURGIA
• Esta mezcla homogénea se introduce luego en una cavidad de
molde o matriz donde se comprime. Esta compresión será en última
instancia, dan como resultado la formación de una masa cohesiva
débil conocida como compacto verde . Por fin, este pacto verde se
somete a una proceso de sinterización durante el cual se somete a
alta temperatura y presión durante un tiempo predefinido.

16. PULVIMETALURGIA

17. • Se informó que las partículas secundarias
homogéneamente distribuidas tienden a mejorar la
dureza y la resistencia al desgaste. Bang et al. [139]
examinó la microestructura y propiedades mecánicas
de compuestos a base de aluminio.

18. • Debido a la distribución fina de la fase Q y la fase θ de
Alumix 231 durante la sinterización, la mejoraen la
resistencia última a la tracción y el alargamiento. El
mecanismo de fortalecimiento de Orowan también fue
responsable de estas propiedades mejoradas. El
mecanismo de fortalecimiento de Orowan indica
dislocación y distribución de partículas duras.
• Se obtienen los resultados para una temperatura de
sinterización de 580 ◦C y un tiempo de sinterización de 1 h.

19. • El compacto se preparó a una presión de 500 MPa, temperatura de
sinterización de 620 ◦C y tiempo de sinterización de 1 h. Se informó
que ella adición de partículas de refuerzo tuvo un efecto
ligeramente negativo sobre la densificación durante el proceso de
sinterización.
• Verma et al. [141]fabricó compuestos de Al2O3, Al2O3 + 40 % ZrO2
y Al2O3 + 30 % ZrO2 + 10 % CeO2 manteniendo una presión
constante y un tiempo de sinterización de 100 MPa y 2 h
respectivamente, se realizó la sinterización a tresdiferentes
temperaturas de 1600 ◦C, 1650 ◦C y 1700 ◦C.
• Se encontró que la temperatura de sinterización de 1700 ◦C tenía la
mayor dureza y tenacidad a la fractura.

20. • Yang investigó el efecto de dos aditivos de sinterización diferentes, es
decir, Y2O3 y CeO2 en la microestructura resultante y propiedades
mecánicas de las cerámicas Si3N4/SiC. Se informó que la adición de
estos aditivos de sinterización tiende a reducir la densidad y
resistencia a la flexión de las cerámicas Si3N4/SiC. El motivo de esta
reducción fue un aumento de la porosidad en los materiales
compuestos resultantes.
• Oguntuyi utilizó SiC como aditivo de sinterización e investigó la
microestructura resultante, la dureza, la resistencia al desgaste y la
densificación de la cerámica TiB2.

21. • Durante la caracterización, se informó de diversas alteraciones de
fase y microestructura in situ. Se descubrió que la fase in situ de TiC
sirve como parámetro que contribuye a la mejora de las
características de los compuestos sinterizados resultantes.
• Klein y Binder investigo el efecto de la adición de cantidad de
fósforo en la matriz de una aleación de níquel. Dos diferentes. Se
añadieron cantidades de fósforo, es decir, 0,3% en peso y 0,75% en
peso, a la aleación de níquel. Junto con esto, también se agregó
10% en volumen de h-BN que normalmente actúa como un
lubricante sólido.

22. • La microestructura de la aleación de níquel con 0,3% en
peso de fósforo reveló la presencia de partículas de
lubricante sólido en el tamaño original de 10–20 μm. Junto
con esto, se encontró que la microestructura tenía baja
porosidad.
• Además, la presencia de una fase líquida durante la
sinterización favorece el reordenamiento de la fase
lubricante sólida y tiende apara distribuir la partícula de
lubricante de manera más homogénea.

23. • Kitiwan también fabricaron con éxito compuestos de SiO2-
diamante con 75% en masa de diamante mediante sinterización
por chispa de plasma.
• Singh informó que las microondas en la sinterización se usa
ampliamente para fabricar aleaciones y compuestos de matriz
metálica a bajos costos de producción, tiempos de
procesamiento junto mejora en las propiedades del producto.
• Wei a fabricado cuatro capas , el material clasificado
funcionalmente a base de diamante/W-Cu mediante
sinterización por microondas. Se observó la buena interfase
entre las dos capas.

24. •La dureza y la resistencia a la compresión de
los compuestos sinterizados aumentan con el
aumento del porcentaje en peso del refuerzo
de partículas

25. PULVIMETALURGIA

26. TÉCNICAS DE
PROCESAMIENTO DE ESTADO
LÍQUIDO
•La fabricación de MMC en estado líquido se produce
fundiendo la fase matriz y añadiendo las partículas
de la fase secundaria en la matriz fundida. La mezcla
fundida se verterá en el molde y, por lo tanto, dará
como resultado la formación de un compuesto que
tendrá matriz deseada y fase de refuerzo.

27. FABRICACIÓN DE COMPOSITE
BAJO LA ACCIÓN DE LA FUERZA
CENTRÍFUGA.
• Como su nombre indica, este es el método en el que la distribución
de partículas de fase secundaria o compuestos intermetálicos, en
ella matriz fundida regirá por la fuerza centrífuga.
• El aparato involucra un crisol con un émbolo que sostendrá la
matriz fundida y un molde giratorio ubicado en un horno de
calentamiento de moldes. Cuando el émbolo se mueva hacia
arriba, la matriz fundida entrará en el molde giratorio a través del
puerto de entrada. Debido a la acción de giro del molde, se
generará una fuerza centrífuga que distribuirá las partículas de
refuerzo en la matriz fundida.

28. • Se midió la tensión residual y se encontró que esta
deformación se genera debido al enfriamiento uniforme
del material compuesto desde la mitad del punto de fusión
a temperatura ambiente.
• Se observó tensión circunferencial residual de tracción en
la superficie interior, mientras que se encontró que la
superficie exterior tenía tensiones residuales compresivas.
• Se observó que la desviación en la tensión residual térmica
aumenta con el aumento del espesor deL anillo compuesto.
Esta desviación dará como resultado, en última instancia,
un mayor desajuste/desajustes térmicos.