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aluminuro de hierro

Los aluminuros de hierro son compuestos intermetálicos de hierro y aluminio ; normalmente contienen ~18% de Al o más.

La buena resistencia al óxido y al azufre, con una resistencia comparable a la de las aleaciones de acero y el bajo costo de los materiales han hecho que estos compuestos sean de interés metalúrgico; sin embargo, la baja ductilidad y los problemas con la fragilización por hidrógeno son barreras para su procesamiento y uso en aplicaciones estructurales.

Descripción general

La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones de hierro que contienen más del 18% de aluminio se observó por primera vez en la década de 1930. [1] Su resistencia a la tracción se compara favorablemente con la de los aceros, aunque utilizan sólo elementos comunes; sin embargo, tienen baja ductilidad a temperatura ambiente y la resistencia disminuye sustancialmente por encima de los 600 °C. [1] Las aleaciones también tienen buena resistencia al sulfuro y a la oxidación, buena resistencia al desgaste y menor densidad que los aceros. [2] La resistencia y dureza máximas se alcanzan en la región estequiométrica de Fe 3 Al. [1] Aunque el Al proporciona resistencia a la corrosión a través de una superficie de película de óxido, la reacción (con agua) también puede dar lugar a fragilización a través del hidrógeno producido en la reacción entre Al y H 2 O. [1]

El cromo (2-6%) mejora la ductilidad a temperatura ambiente. En 1996, Kamey [1] dijo que el mecanismo no se entendía completamente, pero ofreció la hipótesis de que podría reducir la fragilización del hidrógeno a través de su capacidad para estabilizar la fase FeAl. [1] Otras explicaciones han incluido que el cromo podría facilitar el deslizamiento mediante dislocaciones de cristales y que podría contribuir a la pasivación de la superficie y prevenir reacciones de fragilización del agua. [3] Una aleación desordenada (denominada FAPY) que contiene ~16 % Al, ~5,4 % Cr más ~0,1 % Zr, C e Y, con ~1 % Mo mostró una ductilidad mucho mejor, y solo cayó sustancialmente por debajo de ~200 °C (cf. 650 °C). para Fe3Al ) ; esta aleación también es trabajable en frío. [2]

Fases

Por debajo de ~18-20% (atómico) de Al, el aluminio existe como una solución sólida en hierro. Por encima de esta concentración hay FeAl (fase B2) y Fe 3 Al (fase DO 3 ) existentes en forma de estructuras cristalinas de cloruro de cesio (CsCl) y trifluoruro de α-bismuto (BiF 3 ). [1] Por encima de ~550 °C, la fase Fe 3 Al se transforma en FeAl (y Fe). [3]

Por encima de ~50 % de Al (atómico) también se conocen Fe 5 Al 8 , FeAl 2 , Fe 2 Al 5 y Fe 4 Al 13 ; las fases ricas en Al muestran una alta fragilidad. [3]

Preparación

La reacción entre Al y Fe para generar aluminuro de hierro es exotérmica . La producción a partir de la fusión directa de Al y Fe es económica, pero cualquier agua en la carga produce problemas con la generación de hidrógeno , que muestra solubilidad en el aluminuro de hierro, lo que genera huecos de gas. Esto se soluciona soplando con argón o fundiendo al vacío . [2]

El tamaño de grano grande es muy perjudicial para la ductilidad, especialmente con Fe 3 Al, y se encuentra en aluminuros de hierro fundido. [2]

Los recubrimientos de aluminuro de hierro se pueden preparar mediante deposición química de vapor sobre hierro. [4]

Resistencia a la fluencia

La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones FeAl las hace deseables para aplicaciones de alta temperatura en ambientes corrosivos. Sin embargo, las aleaciones de FeAl tienen una resistencia a la fluencia intrínsecamente baja a altas temperaturas debido a la alta difusividad de la estructura B2. [5] Para poder utilizarlo como aleación de alta temperatura, el FeAl debe tratarse para aumentar su resistencia a la fluencia. Los dos métodos más comunes para aumentar la resistencia a la fluencia del FeAl son el fortalecimiento con solución sólida y el endurecimiento por precipitación. [5]

Se demostró que el fortalecimiento con solución sólida disminuye la velocidad de fluencia en estado estacionario y el exponente de la ley potencial de FeAl al aumentar la concentración de otros metales de transición en una aleación de FeAl. [6]  Si bien esto aumentó la resistencia a la fluencia del material, todavía está limitada por la ductilidad del FeAl, ya que la aleación reforzada se fracturó después de solo un 0,3% de deformación.

El endurecimiento por precipitación en FeAl se logra comúnmente con dos tipos diferentes de precipitados: partículas de óxido y carburos. [5] Se ha demostrado que las partículas de óxido a base de Y de 5 nm aumentan la resistencia a la fluencia del FeAl a temperaturas de hasta 800 °C. [7] De manera similar, se ha demostrado que los carburos a base de Ti tienen una alta resistencia a la fluencia a bajas tensiones, en consonancia con el mecanismo de fortalecimiento por precipitación. [8] Si bien el fortalecimiento por precipitación es excelente para aumentar la resistencia a la fluencia, la estabilidad de los precipitados a altas temperaturas es un factor limitante. Los carburos se pueden disolver en FeAl y las partículas de óxido pueden volverse más gruesas a temperaturas superiores a 1000 °C. [5] Como resultado, las aleaciones de FeAl no se han reforzado eficazmente para aplicaciones que requieren temperaturas superiores a 1000 °C y se necesitarán diferentes estrategias para aumentar aún más la posible temperatura de funcionamiento.

Usos

Los usos potenciales de los alumuros de hierro incluyen: elementos calefactores eléctricos , tuberías y otros trabajos para procesos de alta temperatura, incluidas tuberías para gasificación de carbón y tubos de sobrecalentador y recalentador. [1] También se ha sugerido como material estructural para uso lunar. [9] Gracias a la buena combinación de propiedades mecánicas y de oxidación, el aluminuro de hierro se ha utilizado con éxito como fase aglutinante para carburos de tungsteno. [10] [11] Además, la sustitución del cobalto en los cermets WC-Co convencionales por FeAl en el proceso de revestimiento láser mejoró las propiedades de oxidación y desgaste. [12] [13]

Referencias

  1. ^ abcdefgh McKamey, CG (1996), "Aluminuros de hierro", Metalurgia física y procesamiento de compuestos intermetálicos , págs.
  2. ^ abcd Sikka, Vinod K. (1994), "Procesamiento y aplicaciones de aluminuros de hierro", Publicaciones de las actas de la reunión anual de TMS
  3. ^ abc Zamanzade, Mohammad; Barnoush, Afrooz; Motz, Christian (2016), "Una revisión sobre las propiedades de los intermetálicos de aluminuro de hierro", Crystals , 6 (10): 10, doi : 10.3390/cryst6010010 , hdl : 11250/2652934
  4. ^ Juan, JT; Sundararaman, M.; Dubey, V.; Srinivasa, RS (2013), "Caracterización estructural de recubrimientos de aluminuro de hierro preparados mediante deposición química de vapor", Ciencia y tecnología de materiales , 29 (3): 357–363, Bibcode :2013MatST..29..357J, doi :10.1179/1743284712Y .0000000105, S2CID  136635777
  5. ^ abcdMorris , David G; Muñoz-Morris, María A; Chao, Jesús (1 de julio de 2004). "Desarrollo de aluminuro de hierro de alta resistencia, alta ductilidad y alta resistencia a la fluencia". Intermetálicos . 12 (7): 821–826. doi :10.1016/j.intermet.2004.02.032. ISSN  0966-9795.
  6. ^ Zhang, WJ; Sundar, RS; Deevi, SC (1 de julio de 2004). "Mejora de la resistencia a la fluencia de aleaciones a base de FeAl". Intermetálicos . 12 (7): 893–897. doi :10.1016/j.intermet.2004.02.020. ISSN  0966-9795.
  7. ^ Morris, director general; Gutiérrez-Urrutia, I.; Muñoz-Morris, MA (1 de julio de 2008). "Comportamiento de fluencia a alta temperatura de un intermetálico FeAl reforzado por partículas de óxido a nanoescala". Revista Internacional de Plasticidad . 24 (7): 1205-1223. doi :10.1016/j.ijplas.2007.09.001. ISSN  0749-6419.
  8. ^ Sundar, RS; Deevi, Carolina del Sur (25 de septiembre de 2003). "Resistencia a altas temperaturas y resistencia a la fluencia de FeAl". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 357 (1): 124-133. doi :10.1016/S0921-5093(03)00261-2. ISSN  0921-5093.
  9. ^ Landis, Geoffrey A. (2006), Refinación de materiales para la producción de paneles solares en la Luna
  10. ^ Karimi, Hadi; Hadi, Morteza; Ebrahimzadeh, Imán; Farhang, Mohammad Reza; Sadeghi, Mohsen (1 de octubre de 2018). "Comportamiento de oxidación a alta temperatura del compuesto WC-FeAl fabricado mediante sinterización por plasma por chispa". Cerámica Internacional . 44 (14): 17147–17153. doi :10.1016/j.ceramint.2018.06.168. ISSN  0272-8842. S2CID  140057751.
  11. ^ Karimi, Hadi; Hadi, Morteza (1 de agosto de 2020). "Efecto de las técnicas de sinterización sobre la estructura y comportamiento de desgaste por deslizamiento en seco del composite WC-FeAl". Cerámica Internacional . 46 (11, Parte B): 18487–18497. doi :10.1016/j.ceramint.2020.04.154. ISSN  0272-8842. S2CID  219077175.
  12. ^ Mostajerán, Alireza; Shoja-Razavi, Reza; Hadi, Morteza; Erfanmanesh, Mohammad; Karimi, Hadi (1 de noviembre de 2020). "Comportamiento de desgaste del revestimiento WC-FeAl revestido con láser sobre sustrato de acero inoxidable 321". Revista de aplicaciones láser . 32 (4): 042015. Código Bib :2020JLasA..32d2015M. doi :10.2351/7.0000219. ISSN  1042-346X. S2CID  228828665.
  13. ^ Mostajerán, Alireza; Shoja-Razavi, Reza; Hadi, Morteza; Erfanmanesh, Mohammad; Barekat, Masoud; Savaghebi Firouzabadi, M. (1 de abril de 2020). "Evaluación de las propiedades mecánicas del revestimiento compuesto WC-FeAl fabricado mediante método de revestimiento láser". Revista Internacional de Metales Refractarios y Materiales Duros . 88 : 105199. doi : 10.1016/j.ijrmhm.2020.105199. ISSN  0263-4368. S2CID  212794182.

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