Síntesis y caracterización de esponjas de TiC como preformas para compósitos interpenetrados TiC/Al-Cu mediante infiltración

Abstract

An integrated route for the fabrication of titanium carbide (TiC) ceramic sponges is developed through an in-situ dehydrogenation–pyrolysis–sintering process, starting from TiH2–phenolic resin mixtures. The central objective was to control the three-dimensional porous architecture of the ceramic sponge and to assess its viability as a structural preform for interpenetrating metal–ceramic composites, as well as its impact on the thermophysical performance of the final material. The methodology was based on the optimization of the TiH2–resin precursor system (70:30 wt.%), in which the resin acts as a binder, pore-forming agent, and carbon source. Uniaxial compaction (0.5– 1.0 ton) enabled adjustment of the green density and the establishment of a porosity inheritance sequence from the compacted state to the final sintered structure. The controlled release of gases during dehydrogenation and pyrolysis, combined with constrained sintering, led to the formation of TiC sponges with open and interconnected porosity. The resulting sponges exhibited porosities of 56–57.5 vol. %, an open-cell architecture, and average pore sizes of 36–41 µm, which could be tuned by the compaction load without loss of interconnectivity. X-ray diffraction confirmed the formation of TiC as the sole crystalline phase, with no residual TiH2, metallic Ti, or oxides detected, while Williamson–Hall analysis revealed submicrometric crystallite sizes (199–250 nm) with low microstrain, indicating good crystalline quality of the ceramic skeleton. As a functional validation, the TiC sponges were used as porous preforms to fabricate TiC/Al–Cu interpenetrating composites via pressureless liquid infiltration of an Al–2124 alloy. The composites exhibited a continuous and three-dimensional microstructure, density close to the theoretical value, and limited residual porosity (~6 %), along with good interfacial integrity and localized formation of TiAl3 and CuAl2 intermetallics.

En esta tesis se desarrolla una ruta integral para la obtención de esponjas cerámicas de carburo de titanio (TiC) mediante un proceso in situ por deshidrogenación–pirólisis–sinterización, a partir de mezclas de TiH2 y resina fenólica. El objetivo central fue controlar la arquitectura porosa tridimensional de la esponja y evaluar su viabilidad como preforma estructural para compósitos metal–cerámico interpenetrados, y su impacto en el desempeño termofísico del material final. La metodología se basó en la optimización del sistema precursor TiH2–resina (70:30 en peso), donde la resina actúa como ligante, formador de poros y fuente de carbono. La compactación uniaxial (0.5–1.0 ton) permitió ajustar la densidad en verde y establecer una cadena de herencia de porosidad desde el compactado hasta el sinterizado final. La liberación controlada de gases durante la deshidrogenación y la pirólisis, junto con la sinterización restringida, condujo a la formación de esponjas de TiC con porosidad abierta e interconectada. Las esponjas obtenidas presentaron porosidades de 56–57.5 % en volumen, arquitectura de celda abierta y tamaños de poro promedio de 36–41 µm, ajustables mediante la carga de compactación sin pérdida de interconectividad. El análisis por difracción de rayos X confirmó la formación de TiC como única fase cristalina, sin residuos de TiH2, Ti metálico u óxidos, mientras que el análisis por Williamson–Hall evidenció cristalitos submicrométricos (199–250 nm) con baja microdeformación, reflejando una adecuada calidad cristalina del esqueleto cerámico. Como validación funcional, las esponjas de TiC se emplearon como preformas porosas para fabricar compósitos interpenetrados TiC/Al–Cu mediante infiltración líquida sin presión de una aleación Al–2124. Los compósitos presentaron microestructura continua y tridimensional, densidad cercana a la teórica y porosidad residual limitada (~6 %), con buena integridad interfacial y presencia puntual de intermetálicos TiAl3 y CuAl2.