Proteccion Contra La Corrosion

Preparación de recubrimientos y láminas delgadas:

“ Protección contra la corrosión ” J. J. de de Damborenea Damborenea Departamento Departamento de de Corrosión Corrosión yy Protección Protección Centro Centro Nacional Nacional de de Investigaciones Investigaciones Metalúrgicas Metalúrgicas (CENIM/CSIC) (CENIM/CSIC) [email protected] [email protected]

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Corrosión "la corrosión es el ataque de un material metálico por reacción con el medio que le rodea con la consiguiente degradación en sus propiedades” (Federación Europea de Corrosión,1974).

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COSTES ECONÓMICOS

GASTOS DIRECTOS 3,5% PIB protección sustitución

GASTOS INDIRECTOS paradas en la producción fugas contaminación de productos coeficientes de seguridad en el diseño

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COSTES SOCIALES

problemas ambientales deterioro de monumentos

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Corrosión del Erika

Entre 1994 y 1998 se detectaron agujeros en los sistemas de gas inerte de babor y estribor debidos a corrosión, perforaciones en la tubería principal antiincendios y puertas estancas corroídas. En 1998 se cambió a un pabellón de conveniencia (Malta) que le autorizó a seguir operando.

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Corrosión del Erika 19 de diciembre 1999 se hundió frente a las costas de Francia: 20.000 toneladas de fuel, 400 kilómetros de costa afectada, supera los 700 millones de euros.

Los segmentos del carguero que han sido analizados, tras rescatarlos del fondo del mar, demuestran que las chapas tenían entre un 30% y un 50% menos de espesor del requerido, debido a la corrosión.

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COSTES SOCIALES

problemas ambientales deterioro de monumentos

perdidas humanas

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Accidente en la fábrica de Union Carbide en Bhopal, India (1984) Explosión de un tanque de metil-isocianato por una fuga de agua en su interior. La corrosión del acero inoxidable de su interior actuó como catalizador de la reacción

Al menos 3000 personas murieron y cerca de 500.000 afectados. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Accidente en un BOEING 737 (1988) La causa fue el inadecuado sellado de las juntas del fuselaje que permitió el acceso de la humedad, iniciándose el ataque en la zona de los remaches provocando una rotura por corrosiónfatiga.

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Factores clave en corrosión

MATERIAL BASE MEDIO CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA

CONDICIONES OPERATIVAS

CORROSIÓN A ALTA TEMPERATURA

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Corrosión a alta temperatura, corrosión seca u oxidación “reacción directa entre los átomos metálicos y la sustancia agresiva, normalmente gases oxidantes, a temperaturas elevadas”

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Corrosión a alta temperatura, corrosión seca u oxidación

Las resistencia a la CAT viene marcada por la TERMODINÁMICA y la CINÉTICA de las reacciones a alta temperatura. ¿A qué velocidad se corroe?

Tendencia de los metales a reaccionar en una atmósfera determinada a temperaturas elevadas

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Corrosión a alta temperatura, Corrosión seca u oxidación

•

Sulfuración

•

Carburización

• • •

Hidrógeno (descarburización) Haluros Corrosión por sales fundidas

•

OXIDACIÓN Formación de óxidos superficiales

Tiene efectos beneficiosos cuando: -Sean físicamente estables -Mantengan su integridad mecánica - Crezca lentamente - No sean volátiles “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Corrosión a alta temperatura, Corrosión seca u oxidación Su prevención se basa en la formación de capas protectoras que: •Posean alta estabilidad termodinámica •Baja presión de vapor •Relación de Pilling-Bedworth > 1 •Bajo coeficiente de difusión •Alto punto de fusión •Buena adherencia al metal base

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Corrosión a alta temperatura, Corrosión seca u oxidación

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Corrosión a alta temperatura: Crecimiento de la película de óxido

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MATERIALES RESISTENTES A LA CORROSION TRABAJO A TEMPERATURA MAYOR A LA DE AMBIENTE

Temperaturas de hasta 300 0C: acero al carbono

Temperaturas de hasta 650 0C: aceros ferríticos 9% Cr, 1% Mo

T > 650 0C aleaciones Ni-Cr-Fe “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Corrosión Electroquímica

Acción de pilas electroquímicas en las que la disolución metálica ocurre en las regiones anódicas. El proceso tiene lugar cuando se pone el metal con medios líquidos conductores que contienen especies oxidantes.

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Corrosión Electroquímica Anodo: electrodo donde tiene lugar donde tiene lugar la oxidación: Me

Me n+ + n e-

Fe

Fe 2+ + 2 e-

Zn

Zn 2+ + 2 e-

Al

Al 3+ + 3 e-

Cátodo: electrodo donde tiene lugar la reducción: Men++ n e-

Me

2 H++ 2 e-

H2 (Medios ácidos)

O2 + 2 H2 O + 4 e-

4OH- (Medios neutros o alcalinos) “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Factores que influyen en la Corrosión: Heterogeneidades metálicas (III)

•Composición •Partículas contaminantes en superficie •Regiones de metal deformadas en frío •Zonas con solicitaciones mecánicas •Uniones bimetálicas •Dislocaciones •Segregaciones •Inclusiones metálicas •Diferencias de concentración o temperaturas

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Factores que influyen en la Corrosión: Heterogeneidades metálicas Esquema de la solidificación de un metal Borde de grano reactivo

Etapas de nucleación y crecimiento cristalino.

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Factores que influyen en la Corrosión: Heterogeneidades metálicas Fases dispersas en la matriz. Ejemplo: fases endurecedoras en la aleaciones de AA5083

(A)

(B) 1

1 2

2

1.- Intermetálicos de Al(Fe,Mn,Cr) 2.- Intermetálicos de Al(Si.Mg) (A) Antes de inmersión en NaCl 3.56%.

(B) Después de 100 h en NaCl 3.56%.

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Formas de Corrosión

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Fallos por corrosión

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Técnicas de estudio de la corrosión

™MÉTODOS

GRAVIMÉTRICOS

™MÉTODOS

ELECTROQUÍMICOS

™ANÁLISIS

DE SUPERFICIES

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Técnicas de estudio de la corrosión

MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS ™Pérdida

de masa

™Análisis

químico de la solución de ensayo “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Metodos electroquímicos de estudio de la corrosión • Transporte de especies reactivas en el seno de la solución. • Adsorción de las especies en el electrodo de trabajo. • Reacciones electroquímicas y químicas en la intercara.

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Técnicas de estudio del proceso de corrosión Permiten: • La separación de fenómenos elementales acoplados mediante la determinación de la velocidad de la reacción controlante, • Informar del mecanismo de la reacción que gobierna la intercara electroquímica. No proporcionan: • Información de las uniones de las especies adsorbidas desde el punto de vista químico.

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MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS

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Trazado de una curva de polarización

E • • • • • •

Cinética de corrosión Regiones de Tafel Control por transporte de masa Transición activa pasiva Transpasivación Corrosión por picaduras

log |i| “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Transición Activa-pasiva • Cuando una película se forma sobre la superfice de un metal, la velocidad de corrosión se reduce drasticamente, conduciendo a lo que se conoce como “pasivación”. Por ejemplo, los aceros inoxidables.

E

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Curva de polarización anódica del acero inoxidable Reducción de oxígeno

Corrosión transpasiva del Cr

Disolución controlada por activación

E

Curva anódica Pico de activación del hierro

log |i| “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Corrosión por picaduras

•

•

La existencia de picaduras (“Pitting”) se revela por un rápido aumento de la corriente anódica a potenciales más positivos que el potencial de transpasivación o de evolución de oxígeno. En la mayoría de los casos, el trazado de E-log|i| no sigue el mismo camino de vuelta al realizar la vuelta en el barrido de potencial porque la picadura sigue creciendo.

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Corrosión por picaduras La corriente sigue aumentando aunque disminuya el potencial

Repasivación de las picaduras

E

Ruidos debido al carácter meta-estable de las picaduras

log |i| “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Métodos para afrontar el fenómeno de la corrosión MEDIANTE MEDIANTE UN UN DISEÑO DISEÑO ADECUADO ADECUADO MODIFICANDO MODIFICANDO EL EL MEDIO MEDIO ACTUANDO ACTUANDO SOBRE SOBRE EL EL METAL METAL EMPLEANDO EMPLEANDO RECUBRIMIENTOS RECUBRIMIENTOS PROTECTORES PROTECTORES

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Métodos para afrontar el fenómeno de la corrosión

MEDIANTE MEDIANTE UN UN DISEÑO DISEÑO ADECUADO ADECUADO

ƒƒ Evitando Evitando geometrías geometrías que que faciliten faciliten la la corrosión. corrosión. ƒƒ Evitando Evitando la la formación formación de de pares pares galvánicos. galvánicos. ƒƒ Especificando Especificando calidades calidades de de materiales materiales oo procedimientos procedimientos de de soldadura. soldadura. ƒƒ Facilitando Facilitando la la accesibilidad accesibilidad aa la la estructura estructura para para aplicar aplicar algún algún sistema sistema de de protección. protección.

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Recubrimientos de Superficie

Se Se genera genera un un nuevo nuevo material material sobre sobre el el substrato substrato

ƒGalvánicos (por (por inmersión, inmersión, electrodeposición...) electrodeposición...) ƒƒ Químicos Químicos (por (por conversión, conversión, pinturas) pinturas) ƒƒ Metalización Metalización (a (a la la llama, llama, por por plasma, plasma, por por arco) arco) ƒƒ PVD, PVD, CVD CVD ƒƒ Implantación Implantación iónica iónica ƒƒ Energía Energía solar solar ƒƒ Láser Láser

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Recubrimientos metálicos: acero galvanizado Eliminación pinturas o aceites

Eliminación restos óxidos

Desengrasado en sosa cáustica

Baño de sales

Lavado en agua

Decapado en HCl

GALVANIZADO

Baño de Zn

Sales

Cromatado (opcional)

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Etapas de recubrimiento del acero con Zn

Sales

Decapado en HCl

Producto final Baño en Zn fundido “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Acero galvanizado

Fe-α Fe

γ Fe5Zn21

δ FeZn7

ε FeZn13

Zn-η Zn

100

20-28

7-12

5-6

< 0,003

Estructura cristalina Densidad

bcc

bcc

hcp

Monoclínica

hcp

7,6

7,36

7,25

7,18

7,14

Dureza HVS Potencial (mV) ref.Fe

115 -

421 240

265 275

181 425

45 510

Fórmula química %Fe

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Resistencia a la corrosión del acero galvanizado

Aspecto de la película de óxido (30 días de inmersión en NaCl) “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos de Superficie

Se Se genera genera un un nuevo nuevo material material sobre sobre el el substrato substrato

ƒƒ Galvánicos Galvánicos (por (por inmersión, inmersión, electrodeposición...) electrodeposición...)

ƒQuímicos (por (por conversión, conversión, pinturas, pinturas,

sol-gel) sol-gel) ƒƒ Metalización Metalización (a (a la la llama, llama, por por plasma, plasma, por por arco) arco) ƒƒ PVD, PVD, CVD CVD ƒƒ Implantación Implantación iónica iónica ƒƒ Láser Láser

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Recubrimientos Recubrimientos Sol-Gel. Sol-Gel. Síntesis Síntesis Substratos: Aceros inoxidables, acero al carbono, aleaciones de aluminio. SiO2

Al3+ +Ca2++Na+

®

Sol

Sol

Gel

Vidrio Temperatura

Electrolito

R ı O ı Hidrólisis O + NaO-R´ + 5H 2 R - O - Si – O – R ı O ı R Si(OH) + NaOHPolicondensación 4

Deshidratación

Si(OH)4 + NaOH + 4ROH +R´OH O ı GEL O - Si – O – Na++ H2O ı VIDRIO O Temperatura

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Propiedades Propiedades de de la la ruta ruta Sol-Gel Sol-Gel Ventajas:

• Emplea temperaturas de procesado relativamente bajas. • Permite la obtención de recubrimientos homogéneos y uniformes. • La adherencia del recubrimiento es buena. • Con un amplio rango de composiciones imposibles de alcanzar mediante métodos tradicionales y obtener propiedades diseñados a medida.

• Se obtienen espesores comprendidos entres los 500nm-1μm dependiendo del producto y del método de deposición. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos Recubrimientos híbridos híbridos de de SiO SiO22 en en aceros aceros

J. Zarzycki. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 8 (1997) 17-22.

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Recubrimientos Recubrimientos particulados particulados de de síntesis síntesis ácida ácida

A. Durán. “Recubrimientos vítreos producidos por sol-gel” Capítulo 21. Ciencia e ingeniería de la superficie de los materiales metálicos. Edit: A. J. Vázquez y J. de Damborenea. CSIC(2001)

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Recubrimientos Recubrimientos poliméricos poliméricos de de baja baja temperatura temperatura de de curado curado

120 h. en la cámara de niebla salina.

Comparación del comportamiento frente a la corrosión de una muestra galvanizada y otra recubierta por sol-gel (240 h. en la cámara de niebla salina).

H. Schmidt, S. Langefeld, R. NaB. Materials & Design, Vol.18, Nos 4/6 (1997) pp. 309-313.

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Capas de conversión

• Una capa de conversión es una película de óxido crecida sobre una

superficie mediante un proceso químico o electroquímico y que confiere al material una resistencia extra frente a la corrosión o mejora la adherencia de una pintura.

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Capas de conversión

ANODIZADO Capas de Conversión

CROMATADO FOSFATADO

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Criterios de elección de capas de conversión

Necesidad

Época

Eficiencia

Antes de 1960

Economía

1960-1980

Ecología

1980-hoy

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Capas de conversión ¿Qué es un producto ambientalmente aceptable? •EPA – EEUU: “GREEN Chemistry” es la prevención de la contaminación a nivel molecular, diseñada para reducir o eliminar la generación de compuestos químicos peligrosos para la salud humana o el medio ambiente.

Características • No Tóxicos • Biodegradables • No Bioacumulativos

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Recubrimientos de Superficie

Se Se genera genera un un nuevo nuevo material material sobre sobre el el substrato substrato

ƒƒ Galvánicos Galvánicos (por (por inmersión, inmersión, electrodeposición...) electrodeposición...) ƒƒ Químicos Químicos (por (por conversión, conversión, pinturas) pinturas)

ƒMetalización (a (a la la llama, llama, por por plasma, plasma, por por arco…) arco…) ƒƒ PVD, PVD, CVD CVD ƒƒ Implantación Implantación iónica iónica ƒƒ Láser Láser

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Recubrimientos metálicos. Proyección térmica

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos metálicos. Proyección térmica Aplicaciones de los recubrimientos

• Protección frente al desgaste: abrasión, adhesión erosión, freeting • Aislamientos térmicos. • Protección frente a la corrosión y oxidación • Aumentos de superficies específicas • Aislamiento o conducción eléctrica • Capas autolubricantes • Barreras de difusión • Recubrimientos de absorción o reflexión luminosa

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos Recubrimientos metálicos. metálicos. Proyección Proyección térmica térmica

• Permite tratar grandes superficies • Es fácilmente automatizable. • Gran variedad de composiciones para proyectar

• Proyección de recubrimientos cerámicos

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos de Superficie

Se Se genera genera un un nuevo nuevo material material sobre sobre el el substrato substrato

ƒƒ Galvánicos Galvánicos (por (por inmersión, inmersión, electrodeposición...) electrodeposición...) ƒƒ Químicos Químicos (por (por conversión, conversión, pinturas) pinturas) ƒƒ Metalización Metalización (a (a la la llama, llama, por por plasma, plasma, por por arco…) arco…)

ƒPVD, CVD

ƒƒ Implantación Implantación iónica iónica ƒƒ Láser Láser

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Técnicas de modificación superficial. PVD Fundamentos de la técnica •Evaporación por medios físicos: Haz de electrones, arco eléctrico o magnetrón •Síntesis reactiva: Formación de compuestos de TiN a partir de metales (Ti) y gases ( N2) •Temperaturas medias del proceso: 400-500ºC •Alto vacío, 10-6mbar para iniciar el proceso y 10-3mbar durante el mismo

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Recubrimiento de TiN por PVD

TiN 2 μm de espesor obtenido sobre un acero de herramientas por la técnica de evaporación por haz de electrones que incide sobre un blanco de Ti ultrapuro (99.995 %) en una atmósfera de argon/nitrógeno. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimiento de TiN obtenido por PVD 1,75 1,50 1,25

TiN sobre Si, espesor: 100nm sobre Ti6Al4V, espesor:20μm

V(V vs. SCE)

1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 -0,25 -0,50 -0,75 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 10 10 10 10 10 10 10 10 10 i(A/cm²)

Análogo comportamiento frente a la corrosión del TiN obtenido mediante PVD sobre oblea de Silicio y el crecido sobre susbtrato de Ti. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos de Superficie

Se Se genera genera un un nuevo nuevo material material sobre sobre el el substrato substrato

ƒƒ Galvánicos Galvánicos (por (por inmersión, inmersión, electrodeposición...) electrodeposición...) ƒƒ Químicos Químicos (por (por conversión, conversión, pinturas) pinturas) ƒƒ Metalización Metalización (a (a la la llama, llama, por por plasma, plasma, por por arco…) arco…) ƒƒ PVD, PVD, CVD CVD

ƒImplantación iónica ƒƒ Láser Láser

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Implantación iónica. Mecanismos protectores

• Formación de capas pasivas. • Modificación de las propiedades de adherencia de los óxidos formados. • Formación de nuevas fases y precipitados.

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Implantación iónica

Características

Elementos Elementos implantables implantables

Cualquier Cualquier elemento elemento desde desde el el H H al al U. U.

Energía Energía de de la la implantación implantación

Variable. Variable. Energías Energías típicas típicas entre entre 22 yy 200 200 KeV. KeV.

Profundidad Profundidad de de la implantación la implantación

Variable Variable con con la la energía energía de de la la implantación, implantación, el el tipo tipo de elemento y la propia estructura del material de elemento y la propia estructura del material base. base. Normalmente Normalmente 300 300 nm. nm.

Concentración Concentración

Desde Desde trazas trazas hasta hasta un un 50 50 %. %.

Material Material base base

Cualquier Cualquier material material sólido: sólido: metales, metales, semiconducsemiconductores, plásticos... tores, plásticos...

Ventajas • No se alteran las propiedades del material base ni el acabado superficial. • La implantación se realiza a bajas temperaturas. • No hay problemas de adherencia. • Se aplica selectivamente en partes críticas. • Medioambientalmente limpia. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Implantación de elementos no reactivos Implantación de Ar+ sobre Fe Fe Fe

Espesor Espesor capa capa interna interna de Fe O (nm) de Fe33O44 (nm)

Espesor Espesor capa capa externa externa de Fe O (nm) de Fe22O33 (nm)

Espesor Espesor capa capa externa externa de Fe O (nm) de Fe22O33 (nm)

Sin Sin implantar implantar

1.3 1.3

1.1 1.1

2.4 2.4

Implantado Implantado con con Ar Ar--

3.3 3.3

1.1 1.1

4.4 4.4

Sin Sin implantar implantar + + 22 semanas semanas en en desecador desecador

2.0 2.0

1.4 1.4

3.4 3.4

Implantado Implantado con con Ar Ar + + 22 semanas semanas en en desecador desecador

4.3 4.3

1.1 1.1

5.4 5.4

Sin Sin implantar implantar + + calentado a 475 calentado a 475 K K

4.4 4.4

1.0 1.0

5.4 5.4

V. A. Ashworth, W. A. Grant, R. P. M. Procter, T. C. Wellington, Corrosion Science. Vol. 16 (1976) 393-403.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Implantación de elementos no reactivos Efecto de la implantación de diferentes dosis Ar+ con energía de 120 KeV sobre el Fe.

P. L. Bonora, C. Gerisola, L. Fedrizzi, and C. Tosello. Materials Science Engineering, 69 (1985)

283-287.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Implantación de tántalo y cromo para inducir la pasivación Aumento del potencial de ruptura del acero M50, en función de la dosis Ta+ implantada.

La implantación de Cr+ en Fe de alta pureza induce su pasivación.

C. R. Clayton. Fundamental aspects

of corrosion protection by surface modification. Edt. E. Mc Cafferty, C.R. Clayton and J. Oudar. The electrochemical Society, Pennington 1984, pp. 17-31.

V. Ashworth, D. Baxter, W. A. Grant and R. P. M Procter Corrosion Science Vol. 16 (1976) pp. 775786.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Implantación de tierras raras en aceros inoxidables

Las tierras raras, Y o Ce, actúan como focos de nucleación heterogénea del Cr2O3 facilitando el crecimiento de una capa protectora continua.

M. J. Bennett, and D. P. Moon, Materials Science Forum. Vol 12 (1987) pp. 59-70. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Implantación de tierras raras en aceros inoxidables Acero inoxidable no implantado sometido a un ciclo térmico durante el que experimenta la fisuración.

Acero inoxidable implantado con Ce e Y, sin fisuración.

M. J. Bennett and A. T. Tuson, Materials Science and Engineering, A116 (1989) pp. 79-87.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Futuro de la implantación iónica • Rediseño y construcción de nuevos equipos a menor costo. • Combinación con otros tratamientos: ƒ (IBAD, IBM) Recubrimientos asistidos por haces de iones para ƒ ƒ

conseguir depositar capas más gruesas (10 μm). Formación de fases de forma más uniforme mediante la acción conjunta de la implantación (PII) Implantación iónica en inmersión en plasma para tratar geometrías complejas.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos de Superficie

Se Se genera genera un un nuevo nuevo material material sobre sobre el el substrato substrato

ƒƒ Galvánicos Galvánicos (por (por inmersión, inmersión, electrodeposición...) electrodeposición...) ƒƒ Químicos Químicos (por (por conversión, conversión, pinturas) pinturas) ƒƒ Metalización Metalización (a (a la la llama, llama, por por plasma, plasma, por por arco…) arco…) ƒƒ PVD, PVD, CVD CVD ƒƒ Implantación Implantación iónica iónica

ƒLáser

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Funcionamiento del láser E4 E3 E2 E1

E3 E2

E1 La transición desde estados energéticos metaestables a otros de menor energía da lugar a la emisión láser. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Desarrollo de la tecnología láser (1960-2004) •1.961: Javan, Bennett y Herriott, primer láser contínuo de He-Ne. • 1.964: Patel patenta el primer laser de CO2 con una potencia de 1mW. • 1.966 - 1.968: Primeras aplicaciones de los láseres en el tratamiento de materiales. • 1.992: Toyota introduce el plaqueado láser en sus líneas de producción • 2.000: primeras aplicaciones de los láseres de diodo al tratamiento de materiales. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Propiedades del láser • Absorción superficial de su energía por los metales. • Gran versatilidad en función de las densidades de potencia y tiempos de interacción.

• Se consiguen altas densidades de energía (reducción del espesor de la zona afectada térmicamente). • Menores deformaciones y tensiones residuales. No suele ser necesario un mecanizado posterior.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Propiedades del láser • Trabaja a presión ambiental. • Control de la zona tratada. • Es fácilmente automatizable. • Es una energía limpia.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Tipos de láser empleados en el tratamiento superficial Características Características

CO CO22

Nd:YAG Nd:YAG

Diodos Diodos

λλ (μm) (μm)

10.6 10.6

1.06 1.06

0.8 0.8 -- 0.98 0.98

Eficiencia Eficiencia (%) (%)

55 -- 10 10

11 -- 33 (15-30)* (15-30)*

30 30 -- 60 60

Potencia Potencia (kW) (kW)

< < 30 30

< < 66

< < 66

10 1033

10 1022

10 1011

10 1066 -- 10 1088

10 1055 -- 10 1088

10 1033 -- 10 1055

Fibra Fibra óptica óptica

No No

Sí Sí

Sí Sí

Voltaje Voltaje (kV) (kV)

< < 20 20

< < 11

< < 0.1 0.1

290 290 -- 975 975

350 350 -- 1.560 1.560

155 155 -- 975 975

1.000 1.000

500 500

Ninguno Ninguno

Volumen Volumen (l/kW) (l/kW) -2)) Densidad Densidad (Wcm (Wcm-2

Precios Precios (Euro/W) (Euro/W) Mantenimiento Mantenimiento (Euro/W) (Euro/W)

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Recubrimientos obtenidos por láser

• Aleación Superficial (LSA) permite la incorporación de nuevos elementos.

• Plaqueado laser (LC) permite la obtención de recubrimientos protectores.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Aleación superficial láser (LSA) • Compactación mecánica. • Impregnación por pinturas. • Aglutinación por resinas orgánicas. • Apoyo. • Electrodepósito. • Inyección de partículas.

C.W. Drapper and J. M. Poate. International Materials Review, 30, 2 (1995) 85. “Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Plaqueado superficial por láser Propiedades:

• Mínima dilución con el metal base. • Mínima segregación. • Espesores de la capa tratada 1-2.000 μm.

Esquema del montaje experimental para el plaqueado con láser mediante la técnica de inyección de partículas.

Detalle de la interfase tras el plaqueado de un acero inoxidable sobre un substrato de acero al C.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Plaqueado superficial. Obtención de un acero 304 Obtención de un 304 sobre un acero al C mediante un láser de CO2 de 2 kW. Caudal 13.2 g/min, velocidad del láser, 7 mm/s.

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Plaqueado superficial por láser. Stellitas

Recubrimiento de Stellita obtenido sobre un AISI 304 mediante un láser de CO2 de 1.8 kW, con velocidades de barrido de 300 mm/min y un caudal de 10-15 g/min.

Cr Cr

Ni Ni

W W

Fe Fe

Si Si

Mo Mo

Mn Mn

CC

Co Co

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

(%w) (%w)

28 28

33 max max

4.5 4.5

33 max max

22 max max

11 max max

11 max max

1.2 1.2

bal bal

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”

Técnicas de modificación superficial Condiciones Condiciones

CVD CVD

PVD PVD

Implantación Implantación iónica iónica

Láser Láser

TT del del proceso proceso (ºC) (ºC)

1.000 1.000

200-500 200-500

< < 200 200

--

Muy Muy Buena Buena

Mala Mala

Excelente Excelente

Excelente Excelente

Adherencia Adherencia

Geometrías Geometrías

Acabado Acabado superficial superficial

Intercara Intercara muy muy mezclada mezclada entre entre el el recubrimiento recubrimiento yy el el sustrato sustrato

Es Es posible posible tratar tratar orificios orificios yy resquicios resquicios Necesario Necesario

un un TT TT yy pulido pulido posterior posterior

Existe Existe una una intercara intercara metal metal recubrimiento recubrimiento

Puesto Puesto que que se se trata trata de de una una capa capa implantada implantada subsuperficial subsuperficial yy no no existe existe una una intercara intercara como como tal tal

Son Son enlaces enlaces metalúrgicos metalúrgicos perfectos perfectos con con el el sustrato sustrato

Sólo Sólo superficies superficies planas planas

Sólo Sólo áreas áreas que que caen caen dentro dentro del del haz haz de de iones iones

Se Se puede puede focalizar focalizar para para tratar tratar áreas áreas concretas concretas

No No necesario necesario

No No es es necesario necesario

No No es es necesario necesario

2-3 2-3 μm μm

Espesor Espesor

3-10 3-10 μm μm

Presión Presión

Vacío Vacío

(a (a excepción excepción de de CrN CrN que que puede puede alcanzar alcanzar las las 20 20 μm μm

Vacío Vacío

1-2.000 1-2.000 μm μm

300-500 300-500 nm nm

Vacío Vacío

(depende (depende de de la la potencia y de potencia y de la la velocidad velocidad de de pasada pasada del del láser) láser)

Condiciones Condiciones ambientales ambientales

“Preparación y caracterización de recubrimientos y capas Delgadas”