Modificación superficial de aleaciones de titanio mediante plaqueado por láser de polvos con carburo de boro

Modi icación supe icial de aleaciones de i anio median e plaqueado po láse de pol os con ca bu o de bo o TESIS DE MÁSTER EN INGENIERÍA MECÁNICA Y DE MATERIALES Alumno: Jo ge Ignacio López Paloma es Tu o : D .Vicen e Amigó Bo ás VALENCIA, SEPTIEMBRE 2016 1 2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 8 1.1. Mo i ación del abajo ........................................................................... 8 1.2. JUSTIFICACIÓN (PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA) ................... 10 1.3. OBJETIVOS ........................................................................................ 11 1.3.1. OBJETIVO GENERAL .................................................................. 11 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................ 11 2. ANTECEDENTES ..................................................................................... 12 2.1. Modi icación supe icial pa a aplicaciones de empe a u a y desgas e 12 2.2. Láse cladding. TiB2. E ec os de los compues os TiC y TiO2 .............. 14 2.2.1. P oceso de Láse cladding ........................................................... 14 2.2.2. Pa áme os básicos del p oceso de láse cladding....................... 17 2.2.3. Compues os de Ti anio y Bo o. TiBx. E ec os TiC y TiOx .............. 18 2.3. Jus i icación del uso del compues o BxC. ............................................ 19 3. Plani icación de la in es igación ................................................................ 22 Fases ............................................................................................................ 22 3.1. Fase I: Plani icación ............................................................................ 22 a. Documen ación bibliog á ica ............................................................ 22 b. De inición y ob ención de ma e iales y mues as y de inición equipos 23 4. Desa ollo expe imen al................................................................................ 28 4.1 Ca ac e ización mic oes uc u al ............................................................ 28 4.1.1 P epa ación me alog á ica de los ecub imien os ................................ 28 4.1.2. Ca ac e ización de los co dones ......................................................... 33 4.1.2.1. Mic oes uc u a de los co dones .................................................. 37 4.1.2.2. P opiedades mecánicas de los co dones: du eza ........................ 38 4.1.3. Ca ac e ización del ecub imien o ...................................................... 39 3 5. Resul ados y discusión ................................................................................. 40 5.1. Es udio de los pa áme os de p ocesado láse ...................................... 40 5.1.1. Geome ía de los co dones ............................................................. 40 5.1.2. Mic oes uc u a de los co dones ..................................................... 49 5.1.3. Du eza de los co dones .................................................................. 60 6. Conclusiones ................................................................................................ 62 7. Bibliog a ía ................................................................................................... 64 4 Resumen Es e abajo de in es igación se en oca al es udio de la o mación de co dones de Ti+B4C como ecub imien o sob e aleación de i anio Ti6Al4V, median e láse cladding y su análisis desde un pun o de is a geomé ico y mic oes uc u al. Con es e en oque se p e ende es ablece unas condiciones de uncionamien o o un mapa de p oceso pa a ealiza co dones y ecub imien os óp imos pa a su uso de al a esis encia a desgas e y empe a u a. Pa a ello se es udió po medio de mic oscopia óp ica, mic oscopia elec ónica de ba ido y p uebas mecánicas de mic odu ezas. 5 Resum Aques eball d’in es igació s’ha en oca a l’es udi de la o mació de co dons de Ti+B4C com a ecob imen sob e l’alia ge de i ani Ti6Al4V, mi jançan la ècnica de làse cladding i el seu pos e io anàlisi des d’un pun de is a geomè ic i mic oes uc u al. Amb aques en ocamen es p e én es abli unes condicions de uncionamen o un mapa de p océs pe al de pode eali za o ob ind é co dons i ecob imen s òp ims pe al seu ús d’al a esis ència a desgas i empe a u a. Pe pode po a a e me la in es igació es eu ús d’equip de mic oscòpia òp ica, elec ònica i p o es mecàniques de mic a du eses. 6 Abs ac This mino hesis has been ocused in o he s udy o Ti+B4C clads o ma ion as a Ti6Al4V coa ing, using con inuous Lase Cladding and i was s udied bo h om geome ical cha ac e is ics and me allu gical poin s o iew. This app oach p o ides a pa h o p ocess pa ame e s in o de o ob ain op imum clads and coa ing wi h bo h good wea and he mal esis ance. Op ical mic oscopy and Scanning elec on mic oscopy, as well as mechanical es s such as mic o ha dness es s ha e been ca ied ou . 7 Ag adecimien os P ime o que odo quie o ag adece con mil y una g acias al u o que me ha guiado du an e es a esina de in es igación, el D Vicen e Amigó Bo ás. Su paciencia conmigo ha sido in ini a y se lo ag adezco eno memen e. Quie o ag adece ambién a odas aquellas pe sonas que me han ayudado con es e p oeyc o, desde Jenni e has a Juan Ca los, en esas mañanas y/o a des ayudándome en el labo a o io pa a ab ica las mues as. También quie o ag adece a Angélica Amigó, que ambién me ayudó a eco da cómo uncionaban las máquinas y anima me a acaba es e abajo. Ag adece ambién a Mon se a , y sus a des en el SEM, animándome a oma el pseudocon ol del mic oscopio. Y muchas g acias a odos los que no he nomb ado…y po supues o g acias a mi amilia, po que siemp e es á ahí apoyándome en odos los momen os en que los necesi o. También quie o ag adece lo que es e abajo de in es igación me ha b indado; la expe iencia que conlle a ealiza es e ipo de abajos de segu o que me se i án pa a mi u u o labo al. 8 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Mo i ación del abajo Como es sabido la indus ia ae onáu ica es una de las ciencias que mayo demanda p ecisa en desa ollo de ma e iales. Ac ualmen e los ma e iales compues os se encuen an en un g an auge en in es igación y desa ollo, pues son imp escindibles pa a la es uc u a de las ae ona es. No obs an e sigue habiendo un g an in e és en los me ales pa a la ab icación de los mo o es, pues se a a de una aplicación donde los composi es ac uales no ienen aplicabilidad. En los ae o eac o es de los a iones ienen luga p ocesos de combus ión de muy al a empe a u a y cuan o mayo sea és a, mayo po encia ú il se pod á ex ae bien pa a sis emas auxilia es o bien pa a el empuje. Es pues en es a ca ac e ís ica donde eside el ac ual desa ollo de ma e iales. La pa e más c í ica se encuen an en las zonas calien es. Es deci , en la cáma a de combus ión, u bina y obe a. Así mismo hay mayo in e és en los álabes de la u bina de al a, pues es la que ecibe el impac o de los gases más calien es. Además, debido a su compleja es uc u a, es di ícil su diseño y cons ucción pa a que es é con enien emen e e ige ado. Has a aho a es as pa es se cons uían con el me al Inconel 718, aleación muy amosa y usada en los mo o es de a iación. No obs an e es un me al pesado y cuya empe a u a de uncionamien o no se adap a a la demanda ac ual. Aquí es pues donde en an en juego nue os ma e iales. En conc e o el i anio y sus aleaciones. Po sus excelen es ca ac e ís icas es el me al po excelencia que odos quie en inco po a a sus mo o es, ya que su densidad es baja, con al a esis encia a es ue zos, a empe a u a, e c. Sin emba go, el i anio iene un lími e en cuan o a empe a u a de uncionamien o. Es pues aquí donde puede empeza un nue o desa ollo de ma e ial. Conc e amen e en la modi icación supe icial. Median e una co ec a y adecuada capa supe icial se puede adqui i una pe ec a ba e a pa a la empe a u a, endiendo en ma e ial de base i anio y aleaciones, que segui ían man eniendo las ca ac e ís icas de peso, esis encia a es ue zos, e c. 15 bajo el láse , mien as se ealiza el ba ido po la supe icie del ma e ial, gene ando a su paso un baño undido donde se deposi a y unde el ma e ial de ecub imien o, o mando el clad. La p epa ación de la pieza an es del p oceso no equie e de g an abajo y la geome ía de la pieza puede se compleja, cosa que acili a el p oceso pa a piezas de muy al a complejidad usadas en la ae onáu ica, como son los álabes de u bina. Ilus ación 2 Modi icación supe icial median e Láse cladding sob e álabe u bina Además podemos encon a en es e e ce ipo de alimen ación de pol os dos sub ipos: de o ma la e al o coaxial. Siendo es e úl imo ipo capaz de c ea co dones independien es de la di ección de mo imien o de la pieza de abajo, en aja añadida pa a la ab icación/ epa ación de piezas 3D. 16 Ilus ación 3 Tipos de mé odos de aplicación de láse cladding. a) Alimen ación ma e ial ecub imien o po hilo, b) Alimen ación de pol os la e al, c) Alimen ación pol os bila e al, d) Alimen ación pol os coaxial El láse cladding ha ido omando impo ancia a lo la go de su ida, pues en un p incipio sólo e a usado pa a modi icación y a amien o supe icial, pe o que con el iempo se ha podido implemen a pa a gene a pa es en e as, que puede e se pa ecido al p oceso de pul ime alu gia de sin e ing o comúnmen e conocido como imp esión 3D, econs ui zonas desgas adas o adiciona capas a cie as pa es especí icas a un obje o, pa e, e c. La écnica de ab iación 3D del láse cladding o DLF (Di ec Lase Fab ica ion) pe mi e c ea piezas en es dimensiones y complejas, con la en aja de pode añadi a ias capas con di e en es pol os, pudiendo ob ene capas de di e en es composición o incluso pode con ola la composición ans e sal del co dón de o ma más p ecisa. Los compues os de ma iz me álica basados en bo o como e ue zo de la ma iz de i anio, como es el caso obje o de es a in es igación, se deposi an en o ma 17 de ca bu o de bo o, donde exis en g an can idad de p ecipi ados debido a la ápida solidi icación y p ecipi ados nanomé icos po la sob esa u ación de bo o. 2.2.2. Pa áme os básicos del p oceso de láse cladding La en ana de ope ación pa a el p oceso de láse cladding es de inida p incipalmen e po la po encia del láse P (Wa ios,W), elocidad de ba ido del haz V (m/s) y el lujo de pol os F(mg/s), [de Oli ei a e al, 2004] No obs an e, o os pa áme os pueden esul a in luyen es, como el amaño del oco del haz, la dis ibución de ene gía del haz, ipo de gas de a as e y lujo, ipo de gas de p o ección y lujo, elocidad y di ección de alimen ación de las pa ículas. No obs an e, debido a que se dispone de un ipo de inyec o - obe a de láse cladding sólo se puede es udia median e la a iación de pa áme os de po encia, elocidad de ba ido y lujo de pol os. Se pod ía hace un es udio más p o undo eniendo en cuen a los demás pa áme os pa a pode ob ene la mejo dis ibución de pa áme os, cosa que queda ue a del alcance de es a in es igación. Los pa áme os debe án se ales que se consigue una unión óp ima, de un espeso de e minado, adecuada densidad y ausencia de g ie as. Con ello se consegui á una óp ima capa de ecub imien o. En 2004 ya se ealizó un es udio de la in luencia de dichos pa áme os de abajo del láse cladding con las di e en es geome ías ob enidas en el co dón. [de Oli ei a e al, 2004]. En es e abajo se compa a án los esul ados ob enidos con los esul ados publicados en dicho a ículo. 18 2.2.3. Compues os de Ti anio y Bo o. TiBx. E ec os TiC y TiOx Los compues os c eados po la adición de pol os ce ámicos que se in eg an el el i anio, o mando TiBx, po ejemplo, pueden p esen a ca ac e ís icas de ma e ial compues o, que se puede de ini como un ma e ial con combinaciones de dos o más ma e iales dis in os con una supe icie iden i icable en e ellos, que median e su in e acción se consiguen las p opiedades de ambos, esul ando en un ma e ial supe io que los dos ma e iales po sepa ado. Se pod ía deci que el Ti anio y TiB2 se compene a ían, pues exis i ía una on e a en e es os dos compues os, haciendo que se compo an como un composi e. Es e ipo de ma e iales se conocen como TMC o i anium ma ix composi e, cuya ma iz o ma e ial base es el i anio y el e ue zo se ía el TiBx. Con ello se consiguen unas p opiedades excelen es, g acias al i anio y un compo amien o en e a la empe a u a de se icio muy bueno, man eniendo un compo amien o iso ópico. Con el e ue zo de TiBx se consigue una mejo a de las p opiedades mecánicas po posee es e ce ámico de una empe a u a de usión muy al a de 3225ºC, una al a du eza de en e 20GPa y 33GPa, una buena conduc i idad eléc ica y muy buena es abilidad química, así como la p opiedad de pode gene a capas adhe en es con inuas y uni o mes. La es uc u a del TiB2, es de o ma hexagonal, con compo amien o an o me álico como ce ámico, po se conduc o eléc ico, ene un al o módulo elás ico de algo más 550GPa (algo más de la mi ad del módulo del g a eno), al a esis encia especí ica y esis encia al desgas e g acias a sus ue es enlaces co alen es en e los á omos de bo o. Su densidad es de 4520kg/m3. Alguna de sus aplicaciones p incipales son blindajes, he amien as de co e, elec odos o ecub imien os esis en es al desgas e, e c. En cuan o al TiC o ca bu o de i anio, se puede deci que su o mación en cualquie compues o apo a al a du eza, pues es uno de los ca bu os más du os, llegando has a los 32 GPa, que p o ee ambién, como el TiB2 de g an esis encia al desgas e. No obs an e, con al as ene gías puede disol e se el TiC y o ma dend i as. Su densidad es algo mayo que la de TiB2, 4920kg/m3. Es ambién 19 buen conduc o de la co ien e eléc ica, con un pun o de usión de 3140ºC. Es un compues o muy ágil que además puede eacciona con ni ógeno si se p esen a a mós e a ine e, o mando ni u o de i anio. Su p incipal uso es pa a he amien as de co e. Po úl imo, en elación con el TiO, u óxido de i anio es un compues o pelig oso bajo condiciones de luz ul a iole a po se óxico, que no obs an e es inac i o químicamen e ni puede se a acado po ácidos. Su empe a u a de usión es bas an e más bajas que los compues os an e io es, de 1830ºC, con densidad pa ecida (4200kg/m3). Se p esen an en o ma es é ica. 2.3. Jus i icación del uso del compues o BxC. Después de habe is o los compues os deseables en la o mación de ce ámicos con el i anio, que son p incipalmen e el TiB2 y ambién, aunque en meno medida el TiC, una o ma de consegui es os compues os pa a un ecub imien o median e láse cladding es el ca bu o de bo o. Con la al a ene gía del láse se consigue disocia el ca bu o de bo o, cuyos á omos de bo o se di unden y se jun an con el i anio de la zona de dilución o mando compues os de “blocked pa icles” de TiB2. Además po la al a ene gía, se o man dend i as de TiC y po úl imo whiske s de TiB. Los dos p ime os compues os son los más deseables en es a es uc u a compleja que se o ma, pues pa a ello se ealiza es e ecub imien o. El TiB2 y el TiC apo an g an du eza y g an esis encia a la empe a u a. Además el TiB2 es al amen e es able, asegu ando una buena can idad de es e compues o en el ecub imien o y pe maneciendo inal e able bajo condiciones de co osión a al a empe a u a, que es una impo an e cualidad buscada en u binas de ae o eac o es, po ejemplo. Con es e compues o se ob iene una es uc u a emendamen e compleja, que se es udia á después pa a cada co dón. Se pueden o ma ambién compues os de BxC o ca bu o de bo o, que ambién son muy du os, aunque menos deseables que el TiB2, pues és e iene buena enacidad y une los dos mundos de o ma e icien e, el de los me ales y el de los ce ámicos. Como se usa láse cladding con a mos e a con olada, es muy imp obable que se o men óxidos de i anio o TiOx, pues no hay p esencia de oxígeno en la zona 20 de usión du an e la pasada del láse , no obs an e se ha de asegu a la a mós e a, pues es e compues o debili a ía el ecub imien o, po ene o ma es é ica y se concen ado es de ensiones, pudiendo incluso empeza g ie as po ca i ación. Como esumen de odo lo expues o an e io men e, se pod ía sin e iza que con el uso del láse cladding se pueden sucede a ias capas de ecub imien o, con una composición g adual de ases du as y más blandas, que aumen a ían las p opiedades supe iciales man eniendo las buenas ca ac e ís icas del ma e ial base, como es el i anio y aleaciones en es e caso, con la consiguien e disminución de g ie as y de po os en los ecub imien os. No obs an e, es e p oceso conlle a unas mic oes uc u as muy complejas que deben se es udiadas, pa a pode escla ece y ob ene unas elaciones de pa áme os lo más óp ima posible pa a p oduci los compues os deseados. Es pues, que los pa áme os del p ocesado ienen una in luencia undamen al en las dimensiones y o ma del co dón, así como en la o mación de la mic oes uc u a. Po eso, pa a consegui ob ene buenos ecub imien os de i anio es c ucial op imiza el p oceso, ya que las aleaciones de i anio ienen es peculia idades que obligan a un es ic o con ol: - El i anio posee una ele ada eac i idad cuando se unde con elemen os de la a mos e a, eaccionando ácilmen e con Ni ógeno, Oxígeno y apo de agua. Po eso se debe á con ola la a mós e a, al como se ha comen ado con an e io idad. - Es undamen al op imiza el p oceso y maximiza la p oduc i idad pa a que sea en able el uso del láse cladding. La elocidad de ecub imien o o de a ance debe á se al que esul e en able, pues el haz láse es muy pequeño. - Se debe con ola la pé dida de ma e ial y ajus a de mane a e icien e las dimensiones, pues el i anio es un me al de al o cos e. Teniendo en cuen a odo lo mencionado ace ca de la écnica de lase cladding, las líneas de in es igación más impo an es a ni el mundial en la modi icación supe icial del i anio y la p oblemá ica asociada a la combinación i anio 21 p ocesado po láse . En es e abajo se in en a á da un p ime paso hacia la comp ensión del p ocesado po láse y su elación con la o mación de la mic oes uc u a. Pa a ello, se simpli ica án las a iables que hacen elación al ma e ial y se cen a á la in es igación hacia las a iables de p ocesado. Una ez ob enidas las condiciones óp imas que de inen la en ana de p ocesado del i anio, se es a á en condiciones de desa olla nue as aleaciones y compues os en la ase de esis doc o al. 22 3. Plani icación de la in es igación Pa a pode lle a a cabo la in es igación, es necesa io ealiza una buena plani icación del abajo a ealiza . Po eso se desc iben a con inuación las ases seguidas pa a la ealización de la in es igación. Fases 1) Plani icación a. Documen ación bibliog á ica del p ocesado po láse cladding b. De inición y ob ención de ma e iales y mues as y de inición equipos 2) Ca ac e ización a. P epa ación me alog á ica b. Mic oscopia óp ica y análisis geomé ico c. De e minación de la mic oes uc u a d. Mic oscopia elec ónica. Mic oes uc u a de allada y EDS e. (Ba idos mic odu eza. P uebas desgas e) 3) Discusión, esul ados y edacción abajo a. Ob ención de las a iables empí icas de p oceso y medidas geomé icas b. Relación en e geome ía co dón y o mación de la mic oes uc u a c. In luencia sob e la du eza d. De e minación de p esencia de con aminan es o de ec os 3.1. Fase I: Plani icación a. Documen ación bibliog á ica La ase de plani icación conlle a oda la p epa ación p e ia al análisis y expe imen ación. Es una ase que conlle a un g an abajo in es igado de uen es ya exis en es pa a pode en ende qué se iene de ma e iales, qué puede espe a se, qué exis e ac ualmen e, el es ado del a e, e c. Con la ase de documen ación se ha buscado e in es igado en abajos an e io es exis en es odo aquello elacionado con el p oceso de modi icación de supe icies median e 23 la adhesión de pol os me álicos/ce ámicos con la écnica de láse cladding. Se en ocó la búsqueda de la modi icación supe icial con ma e ial base i anio o bien i anio aleado con aluminio y anadio, pa a ene unas e e encias lo más pa ecido posible al abajo ac ual, aunque ambién se han buscado uen es de o os ma e iales pa a la comp ensión del p oceso del láse cladding. b. De inición y ob ención de ma e iales y mues as y de inición equipos Ma e iales Pa a la p epa ación de las mues as se con ó con la emp esa AIDO, ce ada en la ac ualidad. Dicha p epa ación u o luga hace unos años, po lo que las mues as no se hicie on de o ma ex p o esso pa a es e abajo de in es igación. Es po ello que se disponen de da os limi ados sob e las condiciones de p oceso, mo ología del pol o, composición exac a del ma e ial subs a o, e c. Sí se disponen de los pa áme os del láse con los que se ealizó cada co dón, así como el lujo de pol os del ecub imien o, que se mos a án más adelan e. Como subs a o me álico de las mues as se usó chapa de Ti anio comúnmen e usado en la ae onáu ica, el Ti-6Al-4V. Su p ocedencia se desconoce, pues ue AIDO quien p opo cionó ya las mues as con los co dones hechos y no puede sabe se qué emp esa p opo cionó el i anio ni qué ca ac e ís icas iene, que no obs an e, a e ec os de la in es igación no hay ascendencia en desconoce ca ac e ís icas elás icas, e c, pues se analiza á la mic oes uc u a de la zona de dilución del co dón. Respec o a los pol os pa a el ecub imien o, se a a de una mezcla de Ti anio (TLS) y pol o de B4C p oceden e de Alpha Aesa , ambos pol os con g anos es é icos, de un amaño de pa ícula de 25-53 mic as pa a el ca bu o de bo o. Se mezcló un 20% en peso del pol o de B4C con Ti anio en pol o en una u bula du an e una ho a. Pos e io men e AIDO p epa ó la plan illa con co dones en dos caudales de pol o di e en es, a 3 y 5 g/min. Como se ha comen ado no se dispone de mayo in o mación en cuan o a la composición exac a de los ma e iales empleados. 24 Se p esen an a con inuación los diag amas de ases del i anio con los elemen os del Ti64 y pa a la o mación de los bo u os de i anio. Ilus ación 4 Diag ama de ase Ti anio-6Al-V Ilus ación 5 Diag ama de ase del i anio -bo o. Imagen sacada de la esis doc o al de la D a. I ma Ini ada Anga i a Moncaleano Fo mación de co dones/ ecub imien o po láse cladding No se dispone de in o mación sob e el ipo/ma ca de láse usado ni la a mós e a p o ec o a, así como la po encia máxima del láse . Sí se sabe que el láse ecibía alimen ación de los pol os de o ma coaxial, pa a e i a p oblemas con la di ección de mo imien o del láse o de la pieza y el pol o suminis ado. 31 al mismo p ocedimien o con los mismos discos y mezcla de sílice coloidal y pe óxido de hid ógeno, pe o usando el equipo de desbas e manual, pues la mues a es demasiado g ande pa a su colocación en la pulido a au omá ica. Ilus ación 8 Equipo de Pulido Ilus ación 9 P oceso de pulido No malmen e hab ía un paso de a aque químico a la pieza pa a pode dis ingui la zona a ec ada po el calo , e c. No obs an e, no se io necesa io dicho a aque, pues la zona de dilución del ecub imien o en el sus a o se eía a simple is a. 4) Análisis me alog á ico Pa a el análisis me alog á ico se usó el Mic oscopio óp ico Nikon LV-100 Se ies con iluminación de campo cla o, oscu o, luz pola izada y con as e in e e encial, mesa elec ónica y cambio de len e au omá ico, con obje i os de 50x, 100x, 200x, 500x y 1000x y con analizado de imágenes Nikon NIS-Elemen s ARTM, pa a analiza la mic oes uc u a, análisis de imagen, medición de las mues as, e c. ubicado en el Ins i uo de Tecnología de Ma e iales de la UPV, en la Ciudad Poli écnica de la Inno ación. 32 Ilus ación 10 Mic oscopio óp ico Nikon ITM y Lupa, DIMM Pa a un análisis de mayo esolución, así como pa a pode ealiza análisis de ene gías dispe si as de ayos X (EDS) con el cual se pod á conoce la composición del ma e ial y obse a así qué compues os se o man, se usó un mic oscopio elec ónico de ba ido (MEB o SEM en inglés) modelo JEOL JSM 6300 equipado con sonda de análisis de EDS Link, de Ox o d Ins umen s. Es necesa io ealiza un puen e conduc o a las mues as, pues se encuen an embu idas en ma e ial no conduc o . Pa a ello se ealizó un me alizado supe icial ( ecub imien o) con O o. Se ha de deci que se in en ó usa ecub imien o de ca bono, ambién conduc o , pe o no se podía obse a bien la mues a y, po an o, se op ó po el me alizado en o o, que sí pe mi ía una obse abilidad óp ima de la mues a. Los pa áme os de uncionamien o del MEB son de 20kV y 15 mm de dis ancia a la mues a. Se ealiza on en los co dones que p esen aban mayo in e és un es udio con el mic oscopio elec ónico, ealizando EDS en los pun os que p esen aban un mayo in e és. 33 Ilus ación 11 Mic oscopio elec ónico de ba ido 4.1.2. Ca ac e ización de los co dones Pa a la ca ac e ización de los co dones se empezó con el análisis o ca ac e ización geomé ico-dimensional. Después se ealiza la ca ac e ización mic oes uc u al, pa a acaba con un análisis de las p opiedades mecánicas de du eza. Como se ha comen ado an e io men e, de las plan illas de co dones, se p ocedió a su co e ans e sal, embu ido y pulido. Ilus ación 12 Plan illas co dones y ecub imien o 34 Ilus ación 13 Mues as ya embu idas. A la de echa se pueden e con ecub i mien o de o o pa a el SEM Una ez ob enidas odas las mues as, con los 18 co dones a un lujo de 3 g/min, pues os de 6 en 6 co dones po mues a (co dones #1/#6, #7/#12, #13/#18), y 3 mues as más pa a los 18 co dones a un lujo de pol os de 5 g/min, se p ocedió a la medición de los co dones de o ma indi idual median e el mic oscopio óp ico Nikon, a bajos aumen os, de 50x y analizados pos e io men e con el so wa e Nikon NIS-Elemen s pa a de e mina las dimensiones geomé icas. A con inuación, se pueden e unos ejemplos de los co dones ob enidos: Ilus ación 14 Co dón #1.1 Ilus ación 15 Co dón #11.1 35 Ilus ación 16 Co dón #13.1 Ilus ación 17 Co dón #15.2 Como se puede obse a en las imágenes de co dones an e io es, se mani ies a en ellos unas di e encias no ables. Es as a iaciones de geome ía son causadas po el e ec o de los pa áme os del láse . Es necesa io, po an o, ealiza un es udio de la in luencia de dichos pa áme os con la geome ía del co dón y pode es ablece así una elación pa a pode p edeci geome ías u u as y adap a las a las necesidades. En es e con ex o los au o es de Oli ei a ya ma ca on la in e elación en e dichos pa áme os y las dimensiones del co dón, y como se puede e desde un p ime is azo que sí hay una a iación. Po an o se puede conclui que exis en muchas mo ologías, una po cada a iación de pa áme o. Se p ecisa á de segui la e olución de las dimensiones de cada co dón. 36 Pa a pode es ablece dichas elaciones, muchos au o es p opusie on ya o mas de medi las dimensiones del co dón y elaciona los más a de con los pa áme os del p ocesado. En el mismo es udio de de Oli ei a o [Hussam El Cheikhse, e al, 2011] en e o os es ablecie on di e en es o mas de dimensiona el co dón, median e po ejemplo la anchu a del co dón, al u a del co dón, al u a de la zona de dilución, anchu a de la zona de dilución y á eas del co dón y zona dilución. En o os es udios ambién se abaja con dimensiones po la zona a ec ada po el calo , que no obs an e no se e á es udiada en la p esen e in es igación. Ilus ación 18 Análisis geomé ico co dón median e el so wa e NIS-Elemen s de Nikon Se p ocedió a medi los pa áme os siguien es: Hc=Al u a del co dón o clad Wz=Anchu a del co dón o clad Hd=Al u a zona dilución co dón/me al sus a o Ac=Á ea del co dón o clad Ad=Á ea de dilución. La he amien a usada pa a las mediciones es el so wa e Nikon NIS-Elemen s, que de una o ma ácil y casi in ui i a pe mi e medi las longi udes, á eas, e c. 37 Ilus ación 19 Pa áme os del co dón 4.1.2.1. Mic oes uc u a de los co dones P ime o se ealiza una inspección isual de los co dones median e mic oscopia óp ica o incluso con una lupa o mic oscopio de bajos aumen os, pa a de e mina que e ec i amen e se ha ob enido un co dón. Así mismo se p ocede a obse a si se ap ecian g andes de ec os, como po os g andes, ebabas, g ie as, e c. Con mic oscopia óp ica no se ap ecian de ec os que puedan se i pa a pode de e mina que un co dón no es ap o. Pos e io men e se obse ó con SEM que exis en algunos mic opo os de o ma muy especí ica en algún co dón conc e o, que no obs an e, no impide ampoco de e mina que un co dón debe se desechado. Después de la inspección isual se oma on imágenes de oda la sección ans e sal median e el mic oscopio óp ico, pudiendo e de es a o ma las es uc u as ca ac e ís icas del ecub imien o, zona in e media y zona in e io de la dilución de co dón en ma e ial base. Así mismo se ealiza on las mediciones con el so wa e especí ico pa a ex ae las dimensiones. Después de es os dos pasos se p ocedió a la oma de imágenes median e mic oscopia elec ónica de ba ida, haciendo elec odispe sión de ayos X en zonas conside adas in e esan es po ene alguna es uc u a de in e és y sabe po consiguien e qué elemen os exis en y pode de e mina po la o ma de qué compues o pudie e a a se. Ha de deci se que no se con ó con un pa ón de 38 análisis de e minado, pe o si se ealiza on pa ones a lo la go e ical del co dón y/o ans e sal pa a de e mina a ias zonas, así como en algunos co dones se analiza on con una pequeña á ea pa a ene unas ca ac e ís icas medias y en o os pun os median e análisis de línea, pa a pode de e mina en su caso la disolución del ca bu o de bo o, po ejemplo. 4.1.2.2. P opiedades mecánicas de los co dones: du eza Se ealiza on unos ensayos de mic odu eza Vicke s, en a ios pun os de los co dones, con ca gas de 300g de ue za, median e el mic odu óme o Inno a es 400 A Se ies. Ilus ación 20 Mic odu óme o Ilus ación 21 Medición mic odu eza. Obsé ese el ombo/pi ámide que deja imp esa la pun a del mic odu óme o 39 4.1.3. Ca ac e ización del ecub imien o Como el ecub imien o y al como se ha comen ado an e io men e, enía ya hecho, se p ocedió a in en a elaciona y selecciona qué co dón es ep esen a i o y po an o es ablece los pa áme os que co esponden al ecub imien o. 40 5. Resul ados y discusión En es e apa ado se incluyen los esul ados ob enidos a lo la go de la in es igación. Se mues an de acue do a la secuencia plan eada en la plani icación. En el siguien e capí ulo se abo da á el análisis de los da os ob enidos. 5.1. Es udio de los pa áme os de p ocesado láse Uno de los obje i os de es a esina de in es igación de Máse es analiza y selecciona los pa áme os de p ocesado láse adecuados pa a la o mación de un co dón de ecub imien o óp imo. Pa a ello se ha analizado la geome ía de los co dones simples ob enidos po la aplicación de un pol o de i anio y ca bu o de bo o median e láse cladding. La dilución de los ca bu os en el ecub imien o, así como la dilución del ma e ial base o sus a o in e end án de o ma signi ica i a en las p opiedades mecánicas de du eza y ambién en las p opiedades é micas, que no obs an e, no se han enido en cuen a en es a in es igación. 5.1.1. Geome ía de los co dones Una ez ob enidas las mues as de los co dones y habiendo ealizado las o og a ías, y analizado las geome ías se p ocedió a plasma odos los pa áme os po co dones. Según algunos au o es se des acó la di icul ad de in es iga el e ec o de un solo pa áme o con su elación con las ca ac e ís icas del co dón. [J.M. Yellup, 1995]. Se pueden escoge de en e odas las elaciones, las dos más sencillas, que ep esen an bien las elaciones. - Po encia suminis ada po unidad de longi ud P/Va ance - Can idad de ma e ial soplado po unidad de longi ud o densidad de pol oF/Va ance Pa a clasi ica de alguna mane a, eniendo en cuen a los pa áme os del láse , se p ocede a clasi ica los di e en es co dones en elación a la po encia suminis ada y la elocidad de a ance. 47 Tabla 8 G á ica elaciones F/V con Hc De los da os an e io es se puede obse a que exis e una elación lineal en e la can idad de pol os apo ados po me o y la al u a del clad. Es o es lógico, pues cuan o más ma e ial se apo a, más al u a debe ía en p incipio alcanza . Tabla 9 G á ica de Hc s P/V pa a los dos lujos. En azul 3 g/min y en ama illo pa a 5 g/min 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0246810 12 14 Al u a Clad Hc (µm) F/V (g/m) Al u a clad s F/V 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Hc s P/V Se ies1 Se ies2 48 Así mismo se puede obse a que pa a una misma elación de po encia/ elocidad, exis en 2-4 co dones que coinciden en alo de P/V. Cuan o mayo es es a elación y mayo es el lujo de pol os apo ados, mayo al u a del clad. Es deci , pa a mayo es elocidades se consiguen al u as meno es, a igualdad de po encias. Si se man ienen la elación de P/V, pe o se aumen an de o ma p opo cional ambos pa áme os, se consegui án meno es al u as del co dón. Es o es debido a que pa a mayo es po encias se p opo ciona mayo ene gía que puede undi el ma e ial base y pene a mayo men e el co dón den o del sus a o. Al u a de la dilución del co dón/sus a o. Se e in e esan e ambién esal a la zona de dilución, pues in e esa que haya la meno dilución posible, pa a consegui man ene in ac o el sus a o. De o ma gene al, al aumen a la elación de can idad de pol os po unidad de longi ud se consigue aumen a la al u a de dilución del co dón en el ma e ial base. De en ada, según se puede obse a en las imágenes, pa a los clad con una po encia meno y elocidad de a ance más al a se consigue una ín ima zona de dilución, que aumen a con la po encia del láse y se puede ap ecia que con el aumen o de la elocidad se o ma ambién meno zona de dilución. Es o es un poco di ícil de e a p ime a is a, pues puede se debido a o os ac o es no conside ados. No obs an e, iene cie a lógica, pues con el aumen o de la po encia y la disminución de la elocidad de a ance, se consiguen mayo es elaciones de po encia abso bidas po el sus a o, y po an o se consigue mayo ene gía que se ans ie e a la base, con su consiguien e disolución de los ca bu os del apo e en la ma iz del sus a o. Cuan o mayo es la elocidad y meno la po encia, se consiguen unos pe iles de co dón más ec os y sin dilución del ma e ial base. No obs an e, como ambién se puede obse a en las mic o o og a ías, apenas hay disolución de los ca bu os de bo o. Median e SEM y los ensayos de du eza se comp oba á si ealmen e exis e ase de Bo u o de i anio, que es el que se busca o si no. Si exis iese dicha ase, en p incipio se ía el co dón más deseado, pues exigi ía un meno ec i icado y sin zona de dilución; aunque no obs an e debe ían hace se p uebas de adhesión del co dón, po que pudie e se que la in e ase ecub imien o-base uese débil y queb a se o sepa a se. 49 Po an o, a mayo es iempos de esidencia del láse , mayo es al u as de dilución y po an o, de á ea de dilución. Así mismo, la elación de aspec o Clad/dilución se e ía disminuida con la misma elación de iempos de láse . 5.1.2. Mic oes uc u a de los co dones La composición del ma e ial base y los pol os de ecub imien o se pa ecen bas an e: el pol o es á cons i uido po Ti anio y ca bu o de bo o y el sus a o de Ti-6Al-4V. Es o hace que la zona de sepa ación se ea a eces di ícilmen e. No obs an e se puede ap ecia un cambio de densidad, po el cual sí puede dis ingui se dicha zona. Se p ocede a indica pa a los co dones que se conside an más ep esen a i os o que se ha obse ado alguna zona des acable, y pa a no ep esen a en la p esen e memo ia un lis ado muy la go que pueda hace se epe i i o. Pa a los casos que se indique se mos a á una mic o o og a ía a 50x del co dón en e o y o a/s mic o o og a ías a 250 ó 500x según se conside e más opo uno debido a que se conside an zonas de in e és pa a pode obse a el ipo de mic oes uc u a o mada. Co dón #1.1 Ilus ación 22 Co dón #1.1 a 50x. 50 Ilus ación 23 Co dón #1.1. A iba izda de alle disolución ca bu o de bo o. 250x. A iba de echa zona cen al 250x, abajo izda zona in e ase 250x y abajo dcha de alle zona supe io 500x Con las mic o o og a ías ealizadas en SEM se puede obse a con bas an e acilidad las es uc u as o madas en el co dón. Radialmen e a los ca bu os, los g anos de bo u os de i anio an c eciendo, alimen ándose de la dilución de los ca bu os de bo osy c eciendo en o ma de aguja has a que la ene gía se e disminuida al pun o de ya no dilui más el ca bu o g ande. Se o ma pues un ma e ial compues o, po deci lo de alguna mane a, de o ma ipso ac a e in si u. Al mismo iempo que se apo a ma e ial, se o man unos whiske s embebido en una ma iz de i anio, algún ca bono, algún bo u o al ez y en zona in e ase quizás ambién en p esencia de anadio y aluminio. Los bo u os de i anio ac ua ían como e ue zo y pod ían ac ua como unos anclajes pa a los ca bu os de bo o, ya que po su ex ema du eza pueden pe de su adhesión al ma e ial base an e un es ue zo co an e, como ya se ha mencionado. 51 Ilus ación 24 Espec o EDS SEM #1.1. Ilus ación 25 Po cen ajes elemen os pun o análisis #1.1 A pesa del bajíimo peso a ómico del bo o y la escasa ene gía que de uel e de los EDS, se puede obse a que el de ec o sí de ec a bo o. No obs an e no se puede sabe exac amen e qué es uc u a o ma con los i anio, que no obs an e y como se ha comen ado es ac ible que sean monobo u os. La p esencia de anadio y aluminio pone de mani ies o la dilución del sus a o y la di usión de sus elemen os hacia el co dón. Es una si uación no deseada pe o ampoco puede se e i ada, aunque sí minimizada con unos pa áme os de láse que pe mi an bajas co ien es de ma angoni, g an esponsable del desplazamien o de es o elemen os a zonas supe iciales del co dón. 52 Co dón #4.1 Ilus ación 26 Co dón #4.1 a 50x. Ilus ación 27 A iba izda zona supe icie de alle 500x. A iba dcha 250x zona cen al más cuad o análisis EDS. Abajo zona in e ase 250x En es e co dón se puede ap ecia la g an zona cen al con lo ca bu os p ác icamen e diluidos, o mando una ma iz con bo u os de i anio como e ue zo. 53 Ilus ación 28 Espec o EDS #4.1 Ilus ación 29 Po cen ajes elemen os zona análisis #4.1 Co dón #5.1 Ilus ación 30 Co dón #5.1 a 50x. 54 Ilus ación 31 Co dón #5.1. A iba izquie da de alle supe icie 500x. A iba izda zona cen al 250x con cuad o pa a analiza EDS. Abajo zona in e ase 250x. En ese co dón se puede ap ecia cómo hay a ias zonas in luencias po a ias co ien es de ma angoni y no sólo de una global. Es o es debido a una g an ene gía y elocidad de a ance pequeña, lo que conduce a g an dispe sión de la dilución de los ca bu os de bo o, o mando una especia de igas in e nas de ca bu o de bo o. Como se e, g andes can idades de ene gía, que se aduce en g an po encia y baja elocidad in e ie e en las dimensiones y geome ía del co dón. 55 Ilus ación 32 Po cen ajes elemen os zona análisis #5.1 Co dón #11.1 Ilus ación 33 Co dón #11.1 a 50x. 56 Ilus ación 34 Co dón #11.1. A iba izda zona supe icie 500x. A iba dcha zona cen al 500x más cuad o EDS. Abajo izda zona in e ase 500x. Abajo dcha de alle in e ase 2000x. Ilus ación 35 Po cen ajes elemen os. Izda pe enece a zona cen al y da os dcha a zona in e ase. De odas las imágenes an e io es ex aídas del mic oscopio elec ónico de ba ido, se iene que deci que se ealiza on un núme o mayo de análisis, co espondien es a los co dones que al an. No obs an e se han conside ado unos pocos que son ep esen a i os, in en ado escoge co dones que aba casen los pa áme os p incipales. De las imágenes se ex ae la in o mación sob e la disolución de los ca bu os de bo o. Con o me se aumen a la po encia del láse , exis e una mayo ene gía en o ma de calo que alcanza mayo es empe a u as y consiguen undi más masa de ma e ial e ue zo (ca bu o de bo o), que a su ez es capaz de e undi con el 63 densidades pa ecidas que acili a ían la no o u a del ecub imien o y el sus a o. No obs an e es o queda ía pa a u u as in es igaciones, pode analiza la in e ase. - La mic oes uc u a conseguida se basa básicamen e en whiske s o agujas de bo u o de i anio y pa ículas g andes de ca bu o de bo o sin disol e . No exis e óxido, pues la a mos e a es á muy bien con olada du an e el p oceso. 64 7. Bibliog a ía W.M. S een: Lase Ma e ial P ocessing. Sp inge -Ve lag. 2003 U. de Oli ei a: Analysis o coaxial lase cladding p ocessing condi ions, 2004 Hussam El Cheikh, Analysis and p edic ion o single lase acks geome ical cha ac e is ics in coaxial lase cladding p ocess, 2011 H.K.S. Rahoma: E ec o (al a+be a) hea ea men on mic os uc u a and mechanical p ope ies o (TiB+TiC)/Ti-B2O ma ix composi e, 2015 H.K.S. Rahoma: In luence o (TiC+TiB) on he mic os uc u e and ensile p ope ies o Ti-B20 ma ix alloy, 2014 Jiheng Wang: Mic os uc u e and mechanical p ope ies o in es men cas ed i anium ma ix composi es wi h B4C addi ions, 2015 Feng Shu- ong: Mic os uc u e and wea esis ance o lase clad TiB-TiC/TiNi-Ti2Ni in e me allic coa ing on i anium alloy, 2011 Fei Weng: Mic os uc u e and wea p ope ies o lase cladding Co-based composi e coa ings on Ti-6Al-4V, 2015 J.M. Yellup: Su ace and Coa ings echnology, 1995 P. Laheu e: In luence o he mic os uc u e on he pseudoelas ici y o a me as able be a i anium alloy, 2005 I. Weiss: The momechanical p ocessing o be a i anium alloys-an o e iew, 1998 H. Hosoda: E ec s o sho ime hea ea men on supe elas ic p ope ies o a Ti-Nb-Al biomedical shape memo y alloy, 2006 Tesis doc o al de D . Juan Ca los Pe ei a Falcón: Desa ollo y ca ac e ización de ecub imien os MC AlY ob enidos median e écnicas láse pa a aplicaciones de ba e a é mica en ace os inoxidables, 2015 Tesis doc o al de D a. I ma Ini ida Anga i a Moncaleano: Análisis de ecub imien os de Ti e o zados con TiB2 median e écnicas de ecub imien o láse , 2012 Tesis de más e de don Juan José Candel Bou: Análisis de la in luencia de los pa áme os del p oceso de láse cladding coaxial de ecub imien os de Ti6Al4V sob e Ti6Al4V, 2011 65 Coa ed Tu bine Blades Comba Ci cum e en ial Wea , magazine, 2010 Manoj Masan a: De elopmen o a ha d nano-s uc u ed mul i-componen ce amic coa ing by lase cladding, 2009 Dewen Wang: Syn hesis o B4C-TiB2 composi e powde s by he ca bide bo onizing p ocess, 2014 I.G. W igh : Recen de elopmen s in gas u bine ma e ials and echnology and hei implica ions o syngas i ing, 2006 William F Smi h: Fundamen os de la ciencia e ingenie ía de ma e iales, ed Mc G aw Hill. 4 edición