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Procesamiento pulvimetalúrgico de aleaciones beta de Ti-Nb de bajo coste

El Titanio y sus aleaciones son los metales más comúnmente utilizados en prótesis ortopédicas e implantes dentales. Sin embargo, todavía existen algunos problemas que es necesario abordar, como la resorción del hueso (osteopenia) debido al fenómeno de apantallamiento de tensiones (stress shielding), baja resistencia a tribocorrosión (dando lugar a liberación de iones metálicos y residuos de desgaste, con efectos nocivos locales o sistémicos), y falta de bioactividad.

Parte de la solución a estos problemas clínicos consiste en el uso de aleaciones de Ti-Nb de bajo módulo de Young en los que, posteriormente se pueden crear superficies hibridas y multifuncionales resistentes a tribocorrosión.

El Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid trabaja en el desarrollo de aleaciones beta de titanio de bajo coste empleando hidruro de titanio (TiH2, TH), niobio (Nb) y hierro (Fe) como polvos de partida. Se trabaja en el desarrollo de tres aleaciones con la siguiente formulación/composición: TH-12%wt Nb, TH-40%wt Nb y TH-5% Fe-12%wt Nb. La adición de Fe disminuye el contenido de Nb necesario para obtener/estabilizar una mayor fracción de fase beta, tal como se observa en la Figura 1.

Figura 1 Diagramas de fase obtenidos con el software Thermocalc®. a) Sistema Ti-Nb; b) Sistema Ti-5Fe-Nb

Figura 1 Diagramas de fase obtenidos con el software Thermocalc®. a) Sistema Ti-Nb; b) Sistema Ti-5Fe-Nb

El procesado de estos materiales consiste en una ruta pulvimetalúrgica convencional: Comienza con la mezcla elemental de los polvos, seguido de un prensado uniaxial y finalmente, la sinterización en condiciones de alto vacío. Este último paso debe garantizar la estabilización de la fase beta y la mayor conversión de TiH2 a Ti metálico.
El proceso de descomposición del TiH2 ocurre en dos etapas entre 450-650ºC, por lo que se han planteado distintos ciclos de sinterización que promuevan la eliminación de H2, controlando la velocidad de calentamiento en este intervalo de temperatura y optimizando tanto el tiempo como la temperatura final de sinterización (Figura 2.a).

Los resultados obtenidos indican una mayor pérdida de H2, alrededor de 98%, para las muestras sinterizadas con los ciclos 3 y 4, es decir, que la disminución de la velocidad de calentamiento a 2ºC/min durante la etapa de descomposición del hidruro favorece la eliminación de H2. (Figura 2.b).

Figura 2. a) Ciclos de sinterización planteados; b) Pérdida de H2 obtenida para los distintos ciclos de sinterización aplicados.

Figura 2. a) Ciclos de sinterización planteados; b) Pérdida de H2 obtenida para los distintos ciclos de sinterización aplicados.

La figura 3 muestra imágenes de SEM de las muestras sinterizadas con el ciclo 4. La muestra TH-12Nb tiene una microestructura α+β. La muestra TH-40Nb y TH-5Fe-25Nb presentan una microestructura principalmente β. Las zonas brillantes en la Figura 3.b corresponden a zonas ricas en Nb, entonces, la difusión del Nb ha sido incompleta debido al alto porcentaje añadido y al bajo coeficiente de difusión del Nb en el Ti.

La densidad relativa de las muestras sinterizadas es de 99% ± 1 para las muestras TH-12Nb y TH-5Fe-25Nb, y 96% ± 2 para la composición TH-40Nb debido a los problemas de segregación y difusión incompleta del Nb.

Figura 3 Imágenes de SEM de muestras sinterizadas con el ciclo 4. a) TH-12Nb; b) TH-40Nb; c) TH-5Fe-25Nb

Figura 3 Imágenes de SEM de muestras sinterizadas con el ciclo 4. a) TH-12Nb; b) TH-40Nb; c) TH-5Fe-25Nb


La línea actual de investigación se centra en buscar alternativas para mejorar la dispersión y difusión de las partículas de Nb, siendo el procesamiento coloidal una alternativa interesante a considerar.

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Nuevas formulaciones de aceros ODS de alto rendimiento

Figura 1: Micrografía realizada por TEM del óxido complejo Ti-Zr-Y-O

Figura 1: Micrografía realizada por TEM del óxido complejo Ti-Zr-Y-O

La creciente demanda de energía obliga a buscar nuevas formas de incrementar la eficiencia de los sistemas de generación de energía, como los sistemas basados en reactores subcríticos.

Los reactores subcríticos guiados por acelerador (ADS), son reactores nucleares capaces de producir el fenómeno de fisión nuclear sin que este llegue a ser crítico, es decir, evitando una reacción en cadena. Una parte crucial de estos reactores es la ventana del reactor, la cual está expuesta constantemente a la irradiación de neutrones que fragilizan dicho componente. Por ello, el Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid está desarrollando nuevas aleaciones base Fe con óxidos nanométricos en su interior conocidas como aceros ODS (Oxide Dispersion-Strengthened). Estos aceros son prometedores candidatos para la fabricación de las ventanas del reactor debido a su excelente comportamiento a fluencia y frente a irradiación.

El procesado de estos materiales comienza por la aleación mecánica (por molienda de alta energía) de un polvo prealeado base Fe con otros elementos de aleación, con el objetivo de conseguir introducir los elementos formadores de óxidos, que serán los últimos responsables del principal mecanismo de endurecimiento en este tipo de aceros.

La línea actual de investigación se centra en buscar nuevas alternativas para controlar la estequiometría y morfología de los nano-óxidos en el interior de los aceros ODS. Una alternativa interesante sería sintetizar un solo óxido complejo portador de todos los elementos endurecedores. De esta forma se mantendría un control exquisito en la composición química de los óxidos formados evitando posibles contaminaciones. Con este objetivo, se han sintetizado compuestos químicos nanométricos contenedores de los elementos formadores de óxidos para que, durante la molienda de alta energía al descomponerse, creen entornos enriquecidos en estos. De esta forma, durante la posterior consolidación, la activación térmica permitirá la precipitación de nano-óxidos complejos de elevada estabilidad.

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DESARROLLO DE RECUBRIMIENTOS DE ALTAS PRESTACIONES ANTI-CORRROSIVAS DE NUEVA GENERACIÓN

El proyecto RECORD, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad a través del Programa Retos-Colaboración 2015 con nº de expediente RTC-2015-3513-5, desarrollado por el consorcio empresa ISAVAL, AIDIMME y GTP-UC3M, siendo la Dra. Antonia Jiménez-Morales la investigadora principal en la universidad, entra con éxito en su último año de financiación.
El proyecto pretende obtener en una sola capa la funcionalidad aportada por un sistema convencional de pintura anti-corrosiva, por lo que en un único producto poder obtener las prestaciones de una imprimación con sus inhibidores, de los aditivos y las prestaciones de una capa de acabado. Para ello se plantea el desarrollo de recubrimientos de tipo sol-gel multifuncionales para componentes metálicos, principalmente aceros, competitivos a nivel industrial.
Mejoras y novedades técnicas prioritarias para el consorcio respecto a los sistemas tradicionales:
Rapidez en la aplicación del recubrimiento debido a la minimización del número de capas de pintura a una.
Eliminación de productos tóxicos de la composición debido al diseño estratégico de una formulación exenta de
Pb y/o Cromo VI.
Disminución de compuestos orgánicos volátiles (COVs) debido al desarrollo de formulaciones base acuosa.
Éxito en la consecución de altas prestaciones anti-corrosivas debido a la sinergia de aditivos que además son considerados amigables con el medio ambiente.
La finalidad del proyecto se está consiguiendo, con el desarrollo de productos aplicables como pinturas anticorrosivas sobre materiales metálicos (acero al carbono principalmente) de manera sencilla, cómodo y rápida.

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Medalla de Oro AMPT William Johnson para el GTP

El Prof. José Manuel Torralba ha sido premiado con la “AMPT William Johnson International Gold Metal Awarded for Lifetime Achievements in Materials Processing Research and Teaching”. La medalla de oro, concedida por el AMPT Steering Committe,

El Profesor Hashmi, Presidente del Steering Committe hace entrega de la medalla

Diploma acreditativo

Conferencia plenaria impartida por el Prof. Torralba en el AMPT2016

le fue entregada durante la conferencia internacional AMPT 2016, el pasado mes de Noviembre en Kuala Lumpur.

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El GTP, grupo de investigación más atractivo, a nivel mundial, para la innovación en “Powder Metallurgy”

Se acaba de lanzar el portal Linknovate, una “red para conectar con las tecnologías emergentes y los actores principales en cada tecnología”. Se ofrece como una herramienta para las empresas que buscan el apoyo de centros de investigación para el desarrollo de su innovación. Linknovate se ha desarrollado a través de un proyecto europeo dentro de Horizon 2020 y premiado por Finodex, un motor de búsqueda de la UE pensado para el apoyo de la competitividad de las PYMES europeas.

Utiliza una base de datos con más de 9,4 millones de documentos, 23,4 millones de expertos y 500000 centros de investigación distintos. En la red se pueden analizar hasta 24570 tópicos distintos, unos de los cuales es “Powder Metallurgy”.

Si hacemos una búsqueda en el portal sobre el tópico “Powder Metallurgy”, nos encontramos que el centro más atractivo para las empresas que busquen el desarrollo de innovación en “Powder Metallurgy”, es la Universidad Carlos III de Madrid (gracias al grupo de Tecnología de Polvos, GTP), por delante de otras 4000 instituciones del mundo entero.

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Primera reunión anual del MultiMat-CHALLENGE (Programa de I+D en Tecnologías la Comunidad de Madrid): gran éxito científico y de asistencia.

El jueves 28 de abril 2016 se celebró la I Reunión Anual del programa de I+D en Tecnologías MultiMat-CHALLENGE, financiado por la Comunidad de Madrid y coordinado por el Grupo de Tecnología de Polvos de la Universidad Carlos III de Madrid. El programa MultiMat-CHALLENGE, promovido por la Comunidad de Madrid, constituye un marco único de colaboración interdisciplinar e intersectorial para aunar esfuerzos y compartir actividades e infraestructuras, con el fin de impulsar sinérgicamente las investigaciones de los diferentes grupos del consorcio.

El encuentro atrajo a más de ciento veinte participantes de áreas interdisciplinares (el programa se puede consultar en http://www.multimat.org/), entre los que se encuentran ingenieros, físicos, biólogos, químicos, médicos… incluyendo estudiantes de doctorado de los grupos, y estudiantes de máster y grado. La retrasmisión en directo a través de Internet (la primera vez que se hacía en un acto de este tipo) contó con más de quinientas conexiones a lo largo de la jornada. Próximamente, podrán verse las presentaciones de la jornada a través de http://www.campusmoncloa.es/es/media/materialsweek.php y https://www.youtube.com/user/UPM.

La reunión, celebrada en el marco de la MaterialsWeek 2016 (Campus de Excelencia Internacional Moncloa), se concibió como una jornada científica de encuentro de los investigadores participantes en el programa y representantes de empresas asociadas, así como estudiantes y público en general. El objetivo fue dar a conocer a la sociedad, y compartir entre los investigadores, los numerosos y exitosos resultados de investigación que está permitiendo MultiMat. La jornada se estructuró en torno a los tres ejes, que constituyen las áreas de prioridad del programa MultiMat-CHALLENGE: “Transporte limpio”, “Energía Sostenible” y “Salud y Bienestar” en los que participaron, como empresas invitadas, Airbus, Jofemar Energy y Noricum S.L., respectivamente.

El Programa de Investigación MultiMat-CHALLENGE está constituido por más de setenta doctores de once grupos de investigación de cuatro universidades públicas de la Comunidad de Madrid (UC3M, UCM, UPM, y URJC), tres grupos del CSIC (CENIM, ICV, y ICTP) y dos de Hospitales públicos (La Paz y 12 de Octubre). El objetivo final de MultiMat Challenge es transferir el conocimiento a la sociedad y la industria, con la ayuda de los siete laboratorios que participan en el programa, y la participación de más de veinticinco empresas interesadas en aumentar su competitividad gracias los resultados que se están generando.

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Dos científicas del GTP premiadas para asistir al JR EUROMAT 2016 en LAUSANNE (Suiza)

La conferencia bianual JR EUROMAT, organizada por FEMS, está destinada a jóvenes científicos (estudiante de máster, doctorado y post doctorado) del ámbito de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. El objetivo es conceder a los estudiantes una primera experiencia internacional en la que presentar sus trabajos y desarrollar sus habilidades comunicativas con otros científicos. Este año tendrá lugar la XIII edición del congreso que será acogida por el Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne del 10 al 14 de Julio de 2016.
La Sociedad Española de Materiales, SOCIEMAT, organizó un concurso de pósters para premiar a los ganadores con la inscripción gratuita al congreso. Las bases del concurso consistían en enviar un póster ya presentado en un congreso internacional durante 2015 firmado por un investigador menor de 28 años y por otro miembro de Sociemat.
Amaya García y Julia Ureña, estudiantes de doctorado del Grupo de Tecnología de Polvos (GTP) de la Universidad Carlos III de Madrid, han sido las galardonadas de dicha convocatoria por los siguientes pósters:

• Corrossion behaviour of Ti and Ti reinforced by addition of ceramic particles obtained by combination of Coloidal and Powder metallurgy techniques – EuroPM 2015
R.G. Neves, E.Tabares, B. Ferrari, A.J. Sánchez Herencia, A. García-Casas, A. Jiménez Morales, E. Gordo
http://www.madrimasd.org/blogs/tecnologia_polvos/files/2015/12/Poster-EUROPM15_UC3M_icv.pdf

• Surface modification of powder metallurgy Titanium by chemical diffusion of Mo for biomedical applications – Titanium Europe 2015
J. Ureña, S.A. Tsipas, B. Ferrari, A. Jiménez Morales, E. Gordo
http://www.madrimasd.org/blogs/tecnologia_polvos/files/2015/07/Poster-ITA-conference-2015-J-Ure%C3%B1a-E-Gordo.pdf

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Un gran día para el GTP: Premios Extraordinarios de Doctorado y Doctorados Honoris Causa

El pasado viernes 29 de Enero, Día de la Universidad (Celebración del Día de Santo Tomás de Aquino, el 28) en la Universidad Carlos III de Madrid, fue un gran día de celebración para el Grupo de Tecnología de Polvos. En la misma ceremonia se dieron lugar dos hechos de gran relevancia y por los que el grupo se siente muy orgulloso.
Por un lado se les concedió el Premio Extraordinario de Doctorado a dos doctorandos del grupo, por sus tesis desarrolladas en los últimos años: la Dra. Elena Bernardo y el Dr. Mohhammad Ali Jabbari Taleghani. La Dra. Bernando, en la actualidad en AMES (Barcelona) y el Dr. Jabbari en TECMICRO (Madrid).
Además, en el mismo acto, se proclamó Doctores Honoris Causa por la Universidad Carlos III de Madrid a los Profesores Herbert Danninger (de la TU Wien, Austria) y Alberto Molinari (Universidad degli studi di Trento, Italia). Los profesores Danninger y Molinari, colaboran con el GTP desde hace más de 18 años, especialmente a través de la Cátedra Höganäs y su relación con la Universidad y el grupo de investigación ha sido muy intensa y fructífera. La Laudatio la pronunció la Profesora Mónica Campos.

Laudatio y Discursos de Investidura

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El proyecto GreenGELAIR termina con resultados prometedores para el sector aeronáutico y el sector de tratamiento de superficies.

El proyecto se ha llevado a cabo entre GALVATEC, empresa de tratamiento de superficies en el sector AERO, el Grupo de Investigación GTP de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) como experto en tecnología sol-gel y AIMME actuando de líder del consorcio y como centro tecnológico experto en tratamientos y procesos industriales del metal.

RECUBRIMIENTOS EN EL SECTOR AERONÁUTICO
Los sistemas actuales de protección contra la corrosión en el sector aeronáutico se basan en sistemas de pintura multicapa. Los sistemas más sencillos están formados por una primera capa de conversión de cromo (CCC), seguido por una capa primaria con inhibidores y una capa de acabado. En la actualidad, las principales multinacionales químicas y aeronáuticas están inmersas en la búsqueda de alternativas a los procesos con cromatos debido al negativo impacto medioambiental, que conlleva a regulaciones medioambientales de cumplimiento inmediato. Por ello, el desarrollo de nuevos recubrimientos medioambientalmente aceptables y con alta protección a la corrosión es uno de los principales objetivos del sector AERO.

HACIA PROCESOS MÁS ECOLÓGICOS El proyecto GreenGELAIR cumple con las estrictas directivas europeas REACH and RoHS y otras regulaciones como la OSHA de EEUU, utilizando un nuevo proceso libre de cromato, mediante tecnología sol-gel y haciendo mínimas las posibles emisiones contaminantes que se producen en otros procesos.

Además, en este proyecto ha sido evaluada una nueva alternativa a las capas de conversión para las operaciones de mantenimiento, MRO, retoques en línea o para pequeñas aplicaciones en stick.

RECUBRIMIENTOS HÍBRIDOS
En este proyecto se han utilizado recubrimientos híbridos organo-inorgánicos (HOI) preparados por tecnología sol-gel debido a su potencial como protectores de la corrosión y promotores de adherencia. Son sin duda una de las principales alternativas a las capas de conversión de cromo en los sistemas de pintura tanto del aluminio como de otros sustratos metálicos. Las propiedades únicas de los HOI permiten nuevas aplicaciones finales con relaciones coste/rendimiento significativamente mejores que otras alternativas existentes en el mercado.

CONCLUSIONES
Se han cumplido las expectativas, desarrollando un nuevo recubrimiento ecológico, bajo en VOCs con parámetros técnicos satisfactorios en términos de resistencia a la corrosión. También se ha diseñado un nuevo sistema de formulación versátil tanto para operaciones de reparación MRO como para operaciones de nueva producción, OEM.
En la actualidad el dispositivo de formulación se encuentra en un estadio de prototipo, disponible para un escalado mayor tras la inversión necesaria.

AGRADECIMIENTOS
El proyecto GreenGELAR fue aprobado en la primera convocatoria del programa de la Iniciativa Conjunta CleanSky 2013, la cual forma parte del 7º Programa Marco (FP72007-2013) con número de expediente 620136. Dicho programa está promovido tanto por la Comisión Europea como por la industria aeronáutica con el objetivo de crear un espacio aéreo sostenible y reducir el impacto medioambiental de dicho sector. El promotor del proyecto es la empresa francesa DASSAULT AVIATION.

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Nuevas cerámicas obtenidas por “Powder Injection Moulding” (PIM) mediante un ligante ecológico

Polvo de Zircón

Investigadores del GTP (Carolina Abajo, Antonia Jiménez-Morales y José Manuel Torralba), en el marco del proyecto ECOPIN, en el que han participado las empresas ALFA MIM y Guzmán Global, han desarrollado por Powder Injection Moulding (PIM) un material cerámico basado en el Silicato de Zirconio (Zircón) de excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia al desgaste. Uno de los aspectos innovadores del desarrollo es que el sistema ligante utilizado en el proceso PIM está basado en una mezcla de polímeros que, al ser eliminados en su fase térmica (son parcialmente eliminados por disolución en agua) no contribuyen al aumento en las emisiones de CO2, por lo que podríamos considerarlo como un sistema ligante de alto valor ecológico. La investigación ya ha sido parcialmente publicada en el Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Vol. 54, Junio 2015, pp 93-100) y ha merecido la atención de la revista internacional Powder Injection Moulding “University Carlos III studies PIM of zirconium silicate“, que en su número de Septiembre de 2015 hace una extensa referencia.

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