Caracterización de estructuras porosas de alúmina fabricadas por manufactura aditiva e infiltración al vacío

X. HUNG HUNG, Y.M.X; TALOU, M.H.; CAMERUCCI, M.A.

Jornada; 5° JONICER 2022; 2022

En este trabajo, se caracterizaron física y mecánicamente estructuras porosas de alúmina obtenidas mediante manufactura aditiva por deposición fundida (FDC) y posterior infiltración al vacío con suspensiones de alúmina. Para ello, inicialmente se fabricaron discos de 23,50 mm diámetro por 3,60 mm de espesor (t/D ≈ 0,15), con un enrejado de cuatro capas (0°/45°/90°/135°) depositadas sobre una capa base (0,40 mm) y separación entre ´struts´ (φ ≈ 0,80 mm) de 2 mm, usando un equipo de manufactura aditiva por modelado por deposición fundida (FDM) que posee un sistema de deposición por extrusióndirecta de diseño propio, en lugar del cabezal convencional. El material de alimentación consistió en gránulos compuestos de alúmina-poliamida 612 (PA612), de tamaño micrométrico, obtenidos a través de la técnica de separación de fases inducida térmicamente (TIPS), con una carga cerámica de 40% vol. de Al2O3.Para el proceso de impresión, se seleccionó una boquilla de 0,8 mm y una velocidad de impresión de 1 mm/s; mientras que la temperatura de la boquilla se fijó en 260 °C y la temperatura de la cama se estableció en 120 °C. Las estructuras porosas impresas fueron sometidas a un tratamiento térmico de alcinación en aire a 450 °C durante 1 hora utilizando una velocidad de calentamiento de 1 °C/min, y luego se pre-sinterizaron en aire a 1400 °C durante 1 hora [5]. Las muestras pre-sinterizadas fueron sometidas a un tratamiento de infiltración al vacío con la finalidad de mejorar sus propiedades físicas y mecánicas. Paraello, se utilizó como agente infiltrante una suspensión de alúmina (10,7% vol. de Al2O3) en medio alcohólico (etanol al 96%), estabilizada con 0,4% en peso de ácido cítrico respecto al contenido total de Al2O3 y ácido acético glacial (O.pH = 3,05) (ηaparente<10 mPa∙s) [6]. El ciclo de infiltración empleado consistió en la infiltración al vacío (bomba mecánica) durante 1 h y posterior secado en estufa durante 3 h a 85 °C. Las muestras se infiltraron hasta alcanzar un peso constante (2 ciclos de infiltración), registrándose una ganancia de masa final de 44±1%. Por último, tanto las piezas sin infiltrar como las piezas infiltradas fueron sinterizadas en aire a 1580 °C durante 2 horas. Las piezas sinterizadas se caracterizaron por mediciones de densidad (ρa) y porosidad aparente (%Pa) utilizando el método de Arquímedes, cálculo de contracción volumétrica luego de la sinterización (%ΔV), análisis microestructural por SEM y realización de ensayos mecánicos de compresión diametral (Figura 1).Las estructuras de alúmina que fueron infiltradas presentaron una menor porosidad aparente (36±5%), mayor densidad (2,4±0,1 g/cm3) y menor contracción volumétrica (38±3%) que aquellas estructuras que no fueron infiltradas previamente al tratamiento térmico (%Pa = 56±9; ρa = 1,8±0,4 g/cm3 y %ΔV = 44±3). Tanto las piezas infiltradas como las piezas sin infiltrar presentaron una alta densificación del esqueleto (~98% de la densidad picnométrica del polvo de alúmina). En cuanto a las propiedades mecánicas, las estructuras infiltradas presentaron un módulo aparente (Ea) de 0,5±0,1 GPa mientras que las muestras sin infiltrar0,36±0,06 GPa, lo cual representa un aumento de ~39% como resultado de la infiltración. Por otra parte, la tensión máxima (σf) fue de 2,6±0,3 MPa para los discos infiltrados y de 1,3±0,3 MPa para los discos sin infiltrar; representando un incremento de 100%.A partir de este trabajo se puede concluir que la infiltración al vacío de estructuras obtenidas mediante manufactura aditiva por deposición fundida empleando una suspensión de alúmina de baja viscosidad permite reducir la porosidad abierta del ‘strut’ e incrementar sus propiedades mecánicas.