ES2317963T3 - Procedimiento para el ensamblaje de un elemento compuesto de material resistentes a altas temperaturas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto por ensamblaje de al menos un elemento estructural no metálico (1) con uno o varios elementos estructurales metálicos (2) o no metálicos (1) formados por materiales resistentes a altas temperaturas, con o sin escotaduras superficiales integradas en ellos y con la incorporación, al menos en la(s) área(s) de ensamblaje, de una capa intermedia metálica (2) aplicada materialmente sobre el elemento estructural no metálico (1), caracterizado porque sobre la superficie de al menos un elemento estructural (1) de un material no metálico resistente a altas temperaturas, que incluye las áreas de las escotaduras (4) dispuestas en su superficie, se aplica, marcando el contorno, una hoja metálica (2) de 10 a 2.000 µm de grosor mediante un proceso de embidonado y una compresión en matriz o compresión isostática siguiente y porque a continuación los elementos estructurales (1) individuales se sueldan o sellan por la(s) área(s) de ensamblaje y/o se embidonan conjuntamente en una hoja metálica (2) y se ensamblan materialmente por compresión en caliente o por compresión isostática en caliente para formar el elemento compuesto (1).

Description

Procedimiento para el ensamblaje de un elemento compuesto de material resistente a altas temperaturas.

La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto de materiales resistentes a altas temperaturas por ensamblaje y a elementos compuestos según el preámbulo de las reivindicaciones 1, 14 y 17 (véase, por ejemplo, el documento EP-A-1025938).

Los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas son aquéllos que están basados en carbono o en carburos de silicio, en particular también los materiales reforzados con fibras de carbono como, por ejemplo, carbono reforzado con fibras de carbono (CFC), pero también otros materiales cerámicos. A temperaturas elevadas, estos materiales presentan unas resistencias mecánicas mayores que los metales de alto punto de fusión y especialmente, en comparación con éstos, una densidad bastante menor. Por consiguiente, el campo de aplicación técnico de los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas lo constituyen, por una parte, los elementos expuestos a movimientos con una gran aceleración, por ejemplo en vehículos, especialmente también en la aeronáutica y astronáutica, y por otra, el entorno de una radiación térmica intensa, por ejemplo las paredes de protección con función de intercambiador de calor, tales como la primera pared de los reactores de fusión. Otras aplicaciones se encuentran en el campo de los ánodos giratorios para instalaciones de rayos X o también de los soportes para cargas en hornos de alta temperatura.

Los elementos fabricados a partir de los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas según el estado de la técnica y los procedimientos de fabricación aplicados a éstos presentan, además de estas excelentes ventajas, una serie de inconvenientes y problemas. Un problema fundamental reside en la mala aptitud de estos materiales para el ensamblaje. En muchos casos, los procedimientos de unión habituales, tales como la soldadura, el atornillado o el remachado, no se pueden usar o, en todo caso, con un alto riesgo de defectos. La soldadura de este tipo de materiales es difícil o incluso imposible en parte por los problemas de humectación, pero especialmente también por la porosidad normalmente elevada de este tipo de materiales, puesto que los materiales porosos absorben el material de soldadura de manera insuficientemente controlable. La porosidad residual de este tipo de materiales se opone, por ejemplo, tanto al uso como revestimiento impermeable a gases de recipientes de vacío como al aprovechamiento como sistema de tubos para gases y líquidos. La resistencia, con frecuencia tan solo regular, de este tipo de materiales a la corrosión y/o la oxidación limita muy considerablemente su campo de aplicación. En muchos casos, los materiales poseen una estabilidad insuficiente frente a la reacción con metales líquidos. Los materiales compuestos de CFC y C-SiC reforzados con fibras de carbono también se ablandan rápida y progresivamente al aire por debajo de 1.000ºC por oxidación de las fibras.

Los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas generalmente presentan a temperaturas elevadas una mayor resistencia a la tracción y a la presión que los metales refractarios termoestables. Sin embargo, son comparablemente frágiles y, por lo tanto, fracasan cuando las solicitaciones a la flexión y alternativas son mayores.

El experto se enfrenta a estos inconvenientes, que afectan de distintas maneras a los diferentes materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas, con la configuración de materiales compuestos y/o de elementos compuestos formados por diversos materiales, dado el caso en combinación con materiales metálicos o materiales metálicos resistentes a altas temperaturas para compensar o reducir los inconvenientes de este grupo de materiales no metálicos y aprovechar al mismo tiempo sus propiedades ventajosas. La formación de elementos compuestos presupone el ensamblaje activo de los diferentes componentes del elemento. Los riesgos e inconvenientes ya mencionados que se presentan al ensamblar los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas en un elemento compuesto limitan considerablemente la diversidad de aplicaciones que, de lo contrario, sería concebible.

En el documento EP 0181385 B1, por ejemplo, se describe un elemento compuesto. El dispositivo refrigerado activamente, formado por un material muy solicitable térmicamente tal como grafito, carburo o cerámica o un material compuesto metalocerámico, posee en su sección transversal escotaduras redondas en las que están soldados en toda la superficie conductos metálicos para el refrigerante. En la sección transversal se sueldan preferentemente tubos metálicos circulares en escotaduras semicirculares dispuestas en la superficie de un elemento, y al mismo tiempo se ensamblan varios elementos de este tipo para dar un elemento compuesto soldado. Los tubos de refrigeración constan normalmente de metales de alto punto de fusión con coeficientes de dilatación térmica similares a los de los materiales muy solicitables térmicamente. Este elemento compuesto de materiales resistentes a altas temperaturas presenta el inconveniente de que los tubos no se pueden soldar de forma suficientemente permanente con el material muy solicitable térmicamente a lo largo de toda la superficie del tubo, por lo que a largo plazo no se da la transmisión térmica necesaria hacia el refrigerante a través de la pared del tubo.

La solicitud de patente nº FR2785664 A1 describe un intercambiador de calor formado por un material compuesto resistente a altas temperaturas ensamblado, así como un procedimiento para su fabricación. El elemento en forma de pared se compone de capas de múltiples materiales diferentes. En una capa intermedia, fabricada primero por separado, de un material compuesto resistente a altas temperaturas, tal como grafito reforzado con fibras de carbono, están configurados unos canales para el refrigerante en forma de escotaduras superficiales. La capa intermedia está rodeada por dos capas exteriores formadas, por una parte, por un material compuesto basado en cerámica, por ejemplo C/SiC-, y, por otra, por un material compuesto resistente a altas temperaturas distinto del anterior, por ejemplo carbono reforzado con carbono.

Opcionalmente, las escotaduras dispuestas en la superficie de la capa intermedia se proveen, antes del ensamblaje para formar el elemento compuesto, de una capa metálica depositada sobre ésta. El revestimiento sirve para impermeabilizar la superficie de los canales al medio refrigerante que fluye por ellos. Sin esta capa, el refrigerante penetraría en la estructura, habitualmente porosa, del material compuesto. Las tres capas del elemento compuesto se sueldan entre sí, preferentemente introduciendo una hoja de soldeo entre las superficies que se han de ensamblar.

El inconveniente fundamental de un elemento compuesto intercambiador de calor de este tipo reside en que la soldadura de las capas o laminados individuales del elemento compuesto no está controlada con la suficiente seguridad a lo largo de las áreas de ensamblaje correspondientes. La soldadura no es suficientemente homogénea y, por lo tanto, no es sostenible a largo plazo. Durante el proceso de soldeo se producen una deformación térmica del material y reacciones en masa fundida en las zonas marginales de los materiales compuestos adyacentes a la capa de soldadura que alteran desventajosamente las propiedades del material.

El documento DE 3936991 C1 describe una compactación por explosión para la fabricación de un material compuesto metalocerámico. El objetivo es fabricar los materiales compuestos correspondientes de forma rápida y relativamente económica sin tener que preconectar costosos procedimientos previos para la preparación de los componentes individuales.

Según la invención, se vierten materiales cerámicos en polvo en las cavidades de una matriz metálica, por ejemplo en tubos, los tubos agrupados se introducen en un bidón metálico, dado el caso las cavidades entre los tubos agrupados se rellenan adicionalmente con polvo metálico y el material compuesto embidonado se compacta por explosión.

Según el planteamiento del objetivo, se trata de un procedimiento rápido sin otra reivindicación de calidad que la de crear un material compuesto. Con este procedimiento no se pueden satisfacer los requisitos geométricos mínimos respecto a la forma final del elemento que se exigen habitualmente de un elemento compuesto estructurado.

El documento EP 1025938 A1 describe un procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto muy solicitable térmicamente. Se trata de un procedimiento dirigido al ensamblaje de elementos estructurales de grafito con elementos estructurales de cobre endurecible. Antes del ensamblaje, el elemento estructural de grafito se provee, mediante un proceso HIP (compresión isostática en caliente), de una capa de cobre en las áreas de ensamblaje, habitualmente por rellenado según el documento EP 0663670 A1. El paso de procedimiento de la aplicación de la capa, especialmente por rellenado, es muy costoso. El procedimiento no puede aplicarse sin problemas al ensamblaje de otros materiales resistentes a altas temperaturas para obtener elementos muy solicitables térmicamente.

El documento EP 0459865 A1 menciona un procedimiento para proteger la superficie cerámica de un elemento contra daños superficiales mecánicos, térmicos y químicos. Para ello se aplica sobre la superficie cerámica mediante técnicas conocidas, por ejemplo por aplicación de hojas a presión, una primera capa y sobre ella una segunda capa metálica dúctil, y el material compuesto así obtenido se expone a un tratamiento térmico para crear una unión material entre las superficies límite. La primera capa tiene por objeto adaptar los diferentes coeficientes de dilatación térmica del metal y la cerámica. La segunda capa cumple la función protectora mencionada. En el caso de este procedimiento no se trata de ensamblar dos elementos estructurales según la definición usual. Por consiguiente, no se exigen ni se cumplen los requisitos respecto a una elevada resistencia mecánica a altas temperaturas que se exigen, en comparación, para los elementos estructurales ensamblados.

El objetivo de la presente invención es, por lo tanto, evitar los inconvenientes de los elementos compuestos ensamblados antes descritos que presentan al menos un elemento estructural de un material no metálico resistente a altas temperaturas. Para ello debe servir un procedimiento de fabricación mejorado que garantiza una zona de ensamblaje duradera, fiable y a ser posible material entre los diferentes elementos estructurales.

El procedimiento mejorado también debe ampliar, en particular, la diversidad de uso de este tipo de elementos compuestos hacia aquellos campos en los que la elevada porosidad residual, la moderada resistencia a la corrosión y la deficiente solicitabilidad alternativa mecánica y térmica de los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas han imposibilitado hasta ahora el uso correspondiente.

En las reivindicaciones 1, 14 y 17 se definen un procedimiento y elementos compuestos de acuerdo con la invención.

Las reivindicaciones secundarias describen configuraciones preferidas del procedimiento de acuerdo con la invención.

Los materiales metálicos resistentes a altas temperaturas son los metales de alto punto de fusión o metales refractarios, en particular los metales de los subgrupos V y VI del sistema periódico de los elementos, así como también otros metales con un punto de fusión > 1.800ºC.

La expresión material resistente a altas temperaturas abarca los grupos de materiales metálicos y no metálicos expuestos al principio. No está limitada a éstos.

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La expresión elementos estructurales indica que se trata de elementos y/o componentes conformados que en muchos casos ya presentan las dimensiones teóricas y que opcionalmente pueden llevar en su superficie escotaduras de formas complejas, por ejemplo ranuras y escotaduras semimonocasco, para el uso posterior como conductos de refrigerante en el elemento compuesto ensamblado.

El proceso de embidonado es, al igual que la compresión en matriz o la compresión isostática, un procedimiento ampliamente usado y tecnológicamente perfeccionado sobre todo en la pulvimetalurgia. Mediante el embidonado, los materiales se encierran a prueba de vacío en una hoja metálica en forma de bidón, de manera que durante la compresión siguiente no puede producirse ningún intercambio de sustancias entre el contenido del bidón y el medio circundante que transmite la presión. En la pulvimetalurgia, los materiales se embidonan y después se comprimen, o se comprimen en caliente para la síntesis de materiales a partir de diferentes componentes en polvo o para la compactación posterior de materiales porosos. También se conoce en la pulvimetalurgia el ensamblaje de elementos compuestos de componentes comprimidos por separado mediante compresión en caliente o compresión isostática en caliente.

A diferencia del estado de la técnica, en el que los elementos y/o los componentes o elementos estructurales que se han de ensamblar se colocan cada uno por separado directamente adyacentes y sin embidonarlos a lo largo de las áreas de ensamblaje, se embidonan conjuntamente y después se ensamblan en un único paso por compresión isostática o isostática en caliente con la finalidad antes expuesta, en el procedimiento de acuerdo con la invención el objetivo es la conformación con arrastre de forma o, mejor, material de la hoja de embidonado adaptada a la superficie de los elementos estructurales y a sus complejas escotaduras superficiales - empezando por la elección del material de embidonado y de su dimensionado hasta los parámetros del procedimiento de la compresión isostática en caliente pasando por el diseño del bidón. En el caso de la presente invención, el efecto de compactación se aprovecha en todo caso como efecto secundario ventajoso.

Al final de una primera etapa del procedimiento de acuerdo con la invención se dispone así de un elemento estructural de un material no metálico resistente a altas temperaturas que está revestido con metal en su totalidad o, en el caso de un virutaje selectivo y por zonas siguiente, al menos en las áreas de ensamblaje previstas y que, en cuanto a su procesabilidad posterior por ensamblaje, se comporta, por lo tanto, como un elemento estructural metálico con el material de embidonado como material del elemento.

Por lo tanto, los elementos estructurales revestidos de acuerdo con la invención se pueden ensamblar igual que los metales mediante procedimientos de ensamblaje conocidos y probados de soldadura fuerte, soldadura directa, compresión en caliente o compresión isostática en caliente. Ha resultado especialmente adecuado el ensamblaje por compresión isostática en caliente de elementos estructurales embidonados en hojas de metales de alto punto de fusión.

Para el paso de procedimiento del ensamblaje del elemento compuesto se dispone de este modo de un elemento estructural con propiedades de un material no metálico resistente a altas temperaturas que, sin embargo, ya no presenta los inconvenientes de la falta de aptitud para el ensamblaje de los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas o los presenta en mucha menor medida. Además, se pueden fabricar de forma relativamente sencilla y con un coste relativamente bajo elementos compuestos con cavidades y/o canales interiores recubiertos densamente con metal.

El procedimiento de ensamblaje inventivo se puede realizar de forma bien controlada desde el punto de vista de la técnica de procesos. De este modo se puede lograr de forma muy fiable y reproducible la combinación de propiedades deseada en cada caso para el elemento.

Al contrario que el ensamblaje de elementos estructurales de materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas por soldadura fuerte según el estado de la técnica, el procedimiento de acuerdo con la invención proporciona una serie de efectos y propiedades del material extremadamente ventajosos.

Así, en el procedimiento de acuerdo con la invención queda prácticamente excluido un cambio de forma no deseado por deformación del material gracias a la simetría material, dada por igual en ambas etapas de procedimiento, del elemento compuesto generado en cada caso.

Por otra parte, sin embargo, los materiales de soldadura fundidos a altas temperaturas pueden desencadenar reacciones químicas agresivas con los materiales adyacentes, un proceso que ha de asumirse con frecuencia en la soldadura fuerte según el estado de la técnica. En particular, la masa fundida de soldadura puede disolver localmente zonas adyacentes del elemento hasta el punto en que ya no queda garantizado el sellado del elemento estructural frente a la penetración de masa fundida. Por lo tanto, el ensamblaje de los elementos estructurales por soldadura fuerte para formar los elementos compuestos de acuerdo con la presente invención quedará restringido a los casos de aplicación en los que la masa fundida de soldadura no cause estos inconvenientes.

En la compresión isostática en caliente o la compresión en caliente de acuerdo con la invención, las temperaturas se encuentran entre 0,3 y 0,6 x T_{f}, típicamente en un 40% de la temperatura de fusión T_{f} del componente metálico de menor punto de fusión adyacente al área de unión. Por el contrario, en la soldadura fuerte según el estado de la técnica, las temperaturas de fusión del material de soldadura son, por motivos de resistencia, claramente superiores a la temperatura de uso máxima de un elemento estructural. Por esta razón, el procedimiento inventivo presenta importantes ventajas frente al procedimiento según el estado de la técnica respecto a la solicitabilidad mecánica del elemento compuesto, las tensiones del elemento compuesto y la deformación del material, así como respecto a las reacciones secundarias químicas no deseadas.

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La compresión en caliente o la compresión isostática en caliente de la hoja de embidonado de acuerdo con la presente invención permite aplicar recubrimientos metálicos a prueba de vacío, materiales y adaptados al contorno, con un grosor relativamente uniforme. Por el contrario, en el revestimiento metálico en fase gaseosa por deposición física de vapor (PVD) o deposición química de vapor (CVD) de las superficies que se han de ensamblar a continuación, con escotaduras superficiales según el estado de la técnica que en estado ensamblado sirven de canales para el paso de líquidos refrigerantes, no se pueden formar en la práctica capas metálicas impermeables a gases y/o de grosor uniforme en las zonas de las escotaduras.

Para los elementos compuestos de acuerdo con la invención (véanse las reivindicaciones 14 y 17), por ejemplo elementos compuestos refrigerados activamente que se usan en el intervalo de T < 900ºC, han resultado especialmente adecuadas como material de embidonado las aleaciones de cobre, aunque también se han usado con éxito níquel, aluminio, metales nobles e incluso aleaciones de hierro.

Por los elevados puntos de fusión o de descomposición de los materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas, se recomiendan los metales de alto punto de fusión, en particular wolframio, molibdeno, tántalo, niobio, titanio y sus aleaciones, como materiales de embidonado para aplicaciones a temperaturas de uso superiores a 1.000ºC.

El grosor de pared del revestimiento metálico aplicado como bidón se encuentra de acuerdo con la invención entre 10 y 2.000 \mum. Se rige por las dimensiones de las estructuras superficiales que se han de reproducir, por las solicitaciones mecánicas y/o corrosivas del elemento estructural y por las propiedades mecánicas, termomecánicas y químico-corrosivas del material de embidonado. En general, el grosor de la chapa de embidonado se mantiene lo más reducido posible, preferentemente entre 10 y 500 \mum.

Por otra parte, el grosor de pared de la hoja de embidonado debe elegirse tan elevado que incluso cuando las extensiones locales superan el 100%, como las que pueden aparecer en condiciones de conformación superplásticas, éste no sea inferior al mínimo necesario, por ejemplo por motivos de impermeabilidad a gases o de estabilidad mecánica.

El riesgo de que el material de embidonado sufra hiperextensiones locales puede evitarse ventajosamente adaptando el diseño, por ejemplo redondeando los bordes.

Los revestimientos interiores metálicos más gruesos conducen a una solicitabilidad mecánica relativamente mayor del elemento compuesto, por ejemplo frente a la presión interna del medio refrigerante.

La aplicación de acuerdo con la invención de un material de embidonado sobre las escotaduras superficiales de un elemento estructural que sirven posteriormente de canales de refrigeración es, pues, un procedimiento bastante más flexible y económico que, por ejemplo, la soldadura de tubos metálicos en el interior de un elemento compuesto de un material no metálico resistente a altas temperaturas según el estado de la técnica conocido.

Por su ductilidad bastante mayor, el revestimiento metálico de los elementos estructurales sobre las áreas de ensamblaje y/o sobre todo el elemento compuesto en general aumentará notablemente la resistencia de todo el elemento compuesto, especialmente frente a solicitaciones al choque, cargas cíclicamente alternantes o solicitaciones a la flexión. Esta ventaja es especialmente importante en las realizaciones en las que los elementos compuestos constan exclusivamente de materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas y no poseen capas de refuerzo
metálicas.

La conformación de la hoja de embidonado sobre la superficie del elemento estructural se lleva a cabo de acuerdo con la invención mediante compresión o compresión en caliente. La temperatura que ha de ajustarse depende del procedimiento y se rige por la plasticidad del material de embidonado. Siempre que sea razonable técnicamente, las temperaturas deben elegirse, en combinación con los tiempos de compresión, de tal manera que además de la unión de las hojas al material de base marcando el contorno también quede garantizada la unión material en caso de difusión recíproca. En general es suficiente una zona de difusión de 0,1 a 10 \mum. La conformación del bidón sobre el elemento estructural se lleva a cabo preferentemente a temperaturas homólogas del material de embidonado comprendidas en el intervalo de T = 0,3-0,6 x T_{f} como punto de fusión del material de embidonado.

El inconveniente observado con frecuencia en los elementos según el estado de la técnica, consistente en la falta de unión material en zonas de las áreas de ensamblaje, por ejemplo como consecuencia de la presencia de superficies no humedecidas con material de soldadura, así como la temida separación inadvertida de zonas superficiales, aunque sólo sean aisladas, especialmente durante el enfriamiento de un elemento compuesto que sirve de intercambiador de calor, prácticamente puede excluirse en el caso del ensamblaje de acuerdo con la invención.

Mediante la aplicación de presión externa sobre los elementos estructurales durante el revestimiento, así como sobre el elemento compuesto durante el ensamblaje de acuerdo con la invención, se logra, dependiendo de las condiciones del proceso (presión, temperatura, duración) y según el caso, una compactación notable de los materiales no metálicos, habitualmente porosos, resistentes a altas temperaturas, de modo que se consiguen mejorar tanto las propiedades mecánicas como la impermeabilidad frente a la penetración no deseada de medios gaseosos circundantes. Deben tomarse medidas preventivas para compensar la disminución concomitante de las dimensiones exteriores del elemento.

Los materiales no metálicos presentan con frecuencia rugosidades superficiales, tales como macroporos y estrías de procesamiento de diferentes tamaños y profundidades. Estas se cubren, en la medida de lo posible, con el material de embidonado y no se marca su contorno. De forma correspondiente, el grosor de la hoja deberá elegirse mayor que las dimensiones de estas rugosidades superficiales. La superficie así obtenida del componente revestido es entonces bastante más lisa que la del material de partida que se ha de ensamblar, lo que generalmente aumenta la calidad de la unión en el paso de ensamblaje siguiente para formar el elemento compuesto.

En la realización del procedimiento inventivo también pueden aparecer, además de la formación de aleaciones, reacciones químicas perturbadoras entre el material resistente a altas temperaturas del elemento estructural y el material de embidonado. Así, por ejemplo, pueden generarse compuestos frágiles, tales como carburos o siliciuros de bajo punto de fusión. En estos casos, la cara interior de la hoja metálica se recubre, antes del embidonado, con una fina capa inhibidora de reacciones, por ejemplo mediante un proceso en fase gaseosa. En el revestimiento de materiales resistentes a altas temperaturas que contienen grafito y carbono ha resultado especialmente adecuado el recubrimiento interior con renio, un metal conocido por no formar carburos. Otra razón importante para recubrir en algunos casos las hojas metálicas antes del proceso de embidonado reside en la protección anticorrosiva frente a los medios refrigerantes en el caso de que los elementos compuestos se fabriquen como elementos refrigerados activamente con conductos de refrigeración.

Una ventaja especial del procedimiento inventivo reside en la posibilidad de fabricar elementos compuestos con escotaduras estructurales de formas complejas en las áreas de ensamblaje de los elementos estructurales individuales, por ejemplo una red de canales de refrigeración. La conformación superficial y el ensamblaje siguiente de, en especial, escotaduras superficiales fabricadas en dos piezas especulares permite realizar secciones transversales y disposiciones complejas de estas estructuras interiores y ahorrar los elevados costes de fabricación que se generarían en los procedimientos alternativos con la configuración de sistemas de cavidades correspondientes en el cuerpo macizo.

Según una configuración ventajosa del procedimiento de acuerdo con la invención, entre la chapa de embidonado y el material no metálico resistente a altas temperaturas de un elemento estructural se añade un material adicional prácticamente insoluble en el material de embidonado, con un punto de fusión más bajo que el del material de embidonado, por ejemplo en forma de chapa o en polvo. Especialmente en los materiales resistentes a altas temperaturas que son muy porosos y están basados en carbono, como, por ejemplo, CFC con, generalmente, una porosidad residual del 10 al 20% en volumen, se añade cobre en polvo o en forma de hoja de chapa a un bidón de una aleación de niobio en una cantidad adaptada al volumen de los poros. Durante la compresión isostática en caliente siguiente, la temperatura se ajusta entre 1.100ºC y 1.300ºC, de manera que el cobre en polvo se funde y penetra en los poros del material resistente a altas temperaturas. Mediante un procedimiento de este tipo se pueden modificar selectivamente, y simultáneamente con el paso de unión, las propiedades de los materiales porosos resistentes a altas temperaturas.

Después de la compresión en matriz o la compresión isostática del elemento compuesto, el material de embidonado metálico se puede desgastar mecánicamente, por ejemplo por arranque de virutas, de la superficie de éste hasta el material subyacente. No obstante, en algunos casos permanecerá en ciertas zonas o en todo el elemento compuesto, sobre todo cuando el material resistente a altas temperaturas mismo presenta poca estabilidad mecánica, por ejemplo una baja tenacidad a la rotura.

El procedimiento inventivo se describe con más detalle mediante los siguientes ejemplos de realización.

Ejemplo 1

Se describe la fabricación de un elemento de pared de carburo de silicio reforzado con fibras de carbono con canales de refrigeración interiores previsto para la refrigeración activa. Dos elementos estructurales con las dimensiones 250 x 140 x 10 mm se embidonaron a prueba de vacío con hojas de Ta de 0,25 mm de grosor y se comprimieron isostáticamente en caliente durante 1 a 2 horas a temperaturas de 1.100ºC a 1.400ºC y a una presión de 50 a 100 x 10^{6} Pa con argón como medio compresor. Después de este paso, las hojas estaban conformadas de forma que marcaban fielmente el contorno de las escotaduras presentes en el material de base. Las pruebas de rectificado en muestras comparativas confirmaron la unión material entre el Ta y el carburo de silicio por la formación de una fina capa intermedia de siliciuros de tántalo. Los salientes circunferenciales del revestimiento de Ta de ambos elementos estructurales usados para soldar los bidones se tronzaron y, junto con barras cortas de Ta macizo, se soldaron al vacío para cubrir las ranuras en las superficies de los elementos. Los elementos estructurales revestidos correspondientemente y fijados mecánicamente en sus posiciones relativas se comprimieron en caliente con los mismos parámetros de procedimiento que antes y se unieron entre sí de forma material. Taladrando las barras colocadas en las ranuras y después del tratamiento circunferencial final se obtuvo el elemento compuesto acabado de carburo de silicio reforzado con fibras de carbono con canales de refrigeración interiores.

La figura 1a muestra esquemáticamente una sección transversal de un elemento estructural (1) (no metálico) con ranuras longitudinales (4) que está dispuesto en un bidón metálico formado por una hoja de chapa (2) y soldado por los bordes a lo largo de un cordón de soldadura (5) según un proceso de evacuación.

La figura 1b muestra esquemáticamente una sección transversal de dos elementos estructurales (no metálicos) embidonados superpuestos, con la chapa de embidonado conformada de forma material y adaptada al contorno por la acción externa de presión y temperatura.

La figura 1c muestra el elemento compuesto ensamblado de acuerdo con la invención tras volver a embidonar ambos elementos estructurales revestidos y ensamblarlos por la acción de presión y temperatura según la descripción. Mediante el ensamblaje se generan canales cerrados (6) a partir de las escotaduras superficiales presentes en un elemento estructural.

Tanto los componentes individuales como el elemento de refrigeración ensamblado presentan una planicidad superior a 0,2 mm a lo largo de una longitud útil de 250 mm. Los canales presentan una sección transversal uniforme sin estrechamientos y son altamente estancos al vacío. El elemento compuesto soportó sin daños la presión de ensayo exigida de 80 bar en los canales. La resistencia a la flexión a temperatura ambiente medida en una muestra comparativa revestida era un 35% mayor que la de una muestra de referencia con la misma sección transversal total formada por un material de base no revestido.

Ejemplo 2

Se describe la fabricación de un tubo de carbono reforzado con fibras de carbono (CFC) con canales para el paso de un agente refrigerante para la refrigeración activa.

El tubo se elabora a partir de dos elementos estructurales, un tubo interior con un diámetro interior de 193 mm y un diámetro exterior de 203,5 mm y un tubo exterior con un diámetro interior de 207 mm y un diámetro exterior de 218 mm. La longitud de cada tubo ascendió a 400 mm. En la superficie exterior de la pieza interior estaba fresada una ranura helicoidal semicilíndrica con un radio de 3 mm como canal de refrigeración posterior. La ranura terminaba a aproximadamente 5 mm del extremo del tubo, de manera que se conserva allí la sección transversal cilíndrica. La pieza interior y la pieza exterior se embidonaron mediante chapas de niobio con un grosor de 1,0 mm. Antes del embidonado, la chapa de niobio se recubrió por una cara con una capa de renio de 20 \mum de grosor mediante sedimentación iónica. La superficie recubierta de la chapa estaba orientada hacia el CFC durante el embidonado.

A continuación, cada una de las piezas se comprimió isostáticamente en caliente a 1.350ºC y una presión de
70 x 10^{6} Pa durante un periodo de tiempo de 4 horas. Las chapas de niobio se conformaron adaptándose al contorno de las superficies de los tubos y se unieron a éstas inseparablemente. Después se mecanizaron con arranque de virutas el perímetro exterior del tubo interior y el perímetro interior del tubo exterior para ajustar un huelgo diametral de aproximadamente 0,25 mm. Igualmente se cortaron los bordes sobresalientes del bidón. Después, las dos piezas tubulares se encajaron una en otra y los extremos de los tubos se soldaron, mediante una hoja de niobio, con la hoja de niobio que cubría el tubo siguiendo el contorno. Finalmente, el tubo doble montado de esta manera se comprimió isostáticamente en caliente a 1.350ºC y 100 x 10^{6} Pa y se ensambló de forma material. Por último, se repasó por rectificado el perímetro exterior del tubo compuesto así producido. El grosor final de la pared del revestimiento de niobio ascendió a aproximadamente 0,5 mm. Los dos extremos del tubo se refrentaron conservando el grosor del saliente de niobio y se taladró la ranura helicoidal en cada una de las caras frontales.

El análisis de sección micrográfica del material compuesto así obtenido demostró en el grosor de pared canales de refrigeración revestidos con niobio uniformemente y marcando fielmente el contorno. La superficie de separación original entre las piezas interior y exterior había desaparecido por completo después de la difusión de material durante la compresión isostática en caliente y el crecimiento de granos simultáneo. En el ensayo de fuga, los canales de refrigeración resultaron altamente estancos al vacío. La solicitabilidad mecánica del elemento compuesto así fabricado estaba li-
mitada por la resistencia del CFC a la tracción y al cizallamiento, pero no por la resistencia del área de ensamblaje.

Ejemplo 3

Se describe la fabricación de un ánodo giratorio de rayos X con CFC aplicado sobre la cara posterior.

Un disco cilíndrico de CFC (carbono reforzado con fibras de carbono) con un diámetro de 150 mm y un grosor de 50 mm se soldó a prueba de vacío en un bidón de chapa de Nb en forma de tarro con un grosor de 1,0 mm. Por su cara de CFC, la chapa de embidonado estaba recubierta con una capa de Re de 20 \mum de grosor. En un lado del disco de CFC estaba soldada, centrada respecto al eje de giro del disco, una ondulación en forma de una barra cilíndrica de Ta10W colocada en el fondo del tarro como parte del bidón. El elemento así embidonado se evacuó y a continuación se comprimió isostáticamente en caliente durante 4 a 6 horas a una temperatura de 1.500ºC a 1.800ºC y una presión de 100 a 200 x 10^{6} Pa. Durante este proceso, la chapa de embidonado y la ondulación de Ta10W se ensamblaron materialmente con el elemento de CFC. El elemento de CFC así obtenido, revestido por todos los lados con Nb, se soldó al vacío, aprovechando un saliente del bidón en forma de cuello, con una chapa redonda colocada sobre la pieza y formada por la aleación de molibdeno TZM junto con una cubierta para el recorrido focal de W10Re y se comprimió isostáticamente en caliente durante 4 horas a 1.400ºC y una presión de 80 x 10^{6} Pa. Por último, el ánodo giratorio de rayos X
se terminó por destalonado lateral del recorrido focal y torneado de los contornos de las demás superficies exteriores.

En comparación con los elementos compuestos de TZM y CFC fabricados por soldadura, el procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza por una alta reproducibilidad y unas resistencias bastante más elevadas del elemento compuesto. En el ensayo de embalamiento, el ánodo giratorio fabricado de acuerdo con la invención presentaba un índice de reventamiento claramente mayor que el ánodo comparativo. Este resultado sorprendente se debe a las tensiones de presión ejercidas por el bidón de Nb sobre la pieza de CFC, así como a la mayor resistencia del elemento compuesto.

Claims (17)

1. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto por ensamblaje de al menos un elemento estructural no metálico (1) con uno o varios elementos estructurales metálicos (2) o no metálicos (1) formados por materiales resistentes a altas temperaturas, con o sin escotaduras superficiales integradas en ellos y con la incorporación, al menos en la(s) área(s) de ensamblaje, de una capa intermedia metálica (2) aplicada materialmente sobre el elemento estructural no metálico (1), caracterizado porque sobre la superficie de al menos un elemento estructural (1) de un material no metálico resistente a altas temperaturas, que incluye las áreas de las escotaduras (4) dispuestas en su superficie, se aplica, marcando el contorno, una hoja metálica (2) de 10 a 2.000 \mum de grosor mediante un proceso de embidonado y una compresión en matriz o compresión isostática siguiente y porque a continuación los elementos estructurales (1) individuales se sueldan o sellan por la(s) área(s) de ensamblaje y/o se embidonan conjuntamente en una hoja metálica (2) y se ensamblan materialmente por compresión en caliente o por compresión isostática en caliente para formar el elemento compuesto (1).

2. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según la reivindicación 1, caracterizado porque como material para al menos un elemento estructural no metálico (1) se usa carbono reforzado con fibras de carbono y/o grafito y/o carburo de silicio reforzado con fibras.

3. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque como material para al menos un elemento estructural no metálico (1) se usan carburos, nitruros y/o cerámica oxidada.

4. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque como material de embidonado se usa una hoja metálica (2) de 10 a 500 \mum de grosor formada por un metal de alto punto de fusión.

5. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según la reivindicación 4, caracterizado porque como material de embidonado se usa una hoja de Ta, Nb o de una aleación básica de Ta y/o Nb.

6. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se ensamblan materialmente dos elementos estructurales (1) con escotaduras superficiales simétricas especulares embidonados y unidos materialmente con la hoja metálica (2).

7. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque como hoja metálica (2) se usa una hoja de tántalo o wolframio recubierta por una cara con renio mediante procedimientos de CVD o PVD.

8. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque como revestimiento de los elementos estructurales (1) se usan hojas metálicas (2) con un grosor de 50 \mum a 200 \mum.

9. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la compresión en matriz se realiza en forma de compresión en caliente y la compresión isostática en forma de compresión isostática en caliente.

10. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según la reivindicación 8, caracterizado porque en el elemento estructural individual (1) se realiza una unión material entre el elemento estructural (1) y la hoja de embidonado (2) mediante la compresión en caliente o la compresión isostática en caliente.

11. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque antes del embidonado se aplica sobre al menos un elemento estructural (1), al menos sobre partes de su superficie, una capa metálica cerrada por deposición en fase gaseosa.

12. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque un elemento estructural no metálico (1) se embidona y ensambla adicionalmente con al menos un elemento estructural metálico en una hoja metálica común.

13. Procedimiento para la fabricación de un elemento compuesto según las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque después del ensamblaje, el material de embidonado se elimina mecánicamente por completo o en parte y/o por zonas de la superficie exterior del elemento compuesto (1).

14. Elemento compuesto fabricado según el procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, formado por varios elementos estructurales (1) de materiales metálicos y/o no metálicos resistentes a altas temperaturas, caracterizado porque es un elemento de un grupo motor para aviones o misiles y presenta al menos un elemento estructural no metálico (1) sobre el que se ha aplicado, marcando el contorno, una hoja metálica (2) impermeable a gases con un grosor de 10 a 2.000 \mum mediante un proceso de embidonado y una compresión en matriz o compresión isostática siguiente y en el que estos varios elementos estructurales (1) están unidos a través de una zona de unión dispuesta entre esta hoja metálica (2) y uno de estos elementos estructurales (1) mediante soldadura, sellado o compresión isostática en caliente.

15. Elemento compuesto según la reivindicación 14, caracterizado porque las escotaduras (4) dispuestas en la superficie de un elemento estructural (1) están configuradas en el elemento compuesto en forma de cavidades (6).

16. Elemento compuesto según la reivindicación 15, caracterizado porque las cavidades (6) están conformadas en forma de canales para medios de refrigeración que fluyen por ellos.

17. Elemento compuesto fabricado según el procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, formado por varios elementos estructurales (1) de materiales metálicos y/o no metálicos resistentes a altas temperaturas, caracterizado porque es un ánodo giratorio de rayos X formado por al menos un elemento estructural de un material basado en carbono y por al menos otro elemento estructural adicional de metal refractario y porque sobre al menos un elemento estructural no metálico (1) se ha aplicado, marcando el contorno, una hoja metálica (2) impermeable a gases con un grosor de 10 a 2.000 \mum mediante un proceso de embidonado y una compresión en matriz o compresión isostática siguiente y en el que estos varios elementos estructurales (1) están unidos a través de una zona de unión dispuesta entre esta hoja metálica (2) y uno de estos elementos estructurales (1) mediante soldadura, sellado o compresión isostática en caliente.