Caracterización microestructural de recubrimientos de superaleaciones obtenidas por deposición térmica

MÁSTER EN INGENIERIA MECÁNICA Y MATERIALES Ca ac e ización mic oes uc u al de ecub imien os de supe aleaciones ob enidas po deposición é mica T abajo Fin de Más e Realizado Juan Vicen e Miguel Guillem Di igido Vicen e Amigó Bo ás Depa amen o de Ingenie ía Mecánica y de Ma e iales Uni e si a Poli ècnica de València Índice 1 Mo i ación ........................................................................................................... 1 2 Obje i os .............................................................................................................. 2 2.1 Obje i o Gene al, ......................................................................................... 2 2.2 Obje i os especí icos ................................................................................... 2 3 Es ado del A e .................................................................................................... 3 3.1 Supe aleaciones ........................................................................................... 3 3.1.1 Aplicaciones de las supe aleaciones. ................................................... 4 3.1.2 Supe aleaciones base cobal o ............................................................. 5 3.1.3 Supe aleaciones base niquel ............................................................... 6 3.1.4 Fases, c is alog a ía y mic oes uc u a en las aleaciones MC AlY ....... 8 3.2 Deposición é mica .................................................................................... 10 3.2.1 HVOF (High Veloci y Oxy-Fuel) .......................................................... 13 3.2.2 Plasma sp ay ...................................................................................... 14 3.3 F icción y desgas e en ecub imien os MC AlY ......................................... 16 3.4 Reseñas del es ado del a e ....................................................................... 21 4 Plani icación ....................................................................................................... 25 4.1 P ime a ase, Ca ac e ización del pol o u ilizado ..................................... 25 4.2 Segunda ase, Recub imien o del sus a o ................................................ 25 4.3 Te ce a ase, Ca ac e ización del ecub imien o ob enido ....................... 25 4.4 Cua a ase, Ca ac e ización ecnológica, icción y desgas e ................... 27 5 Desa ollo expe imen al .................................................................................... 29 5.1 Ca ac e ización del pol o u ilizado ............................................................ 29 5.1.1 G anulome ia ................................................................................... 29 5.1.2 Mo ología ......................................................................................... 30 5.1.3 Densidad supe aleaciones ................................................................ 31 5.1.4 Di acción de ayos X de los pol os MC AlY ...................................... 31 5.2 Recub imien o del sus a o ....................................................................... 32 5.3 Ca ac e ización del ecub imien o ob enido ............................................. 32 5.3.1 P epa ación mues as me alog á ícas ............................................... 32 5.3.2 Espeso y po osidad ........................................................................... 35 5.3.3 Ca ac e ización mic o es uc u al ..................................................... 35 5.3.4 Ensayo de lexión ............................................................................... 35 5.3.5 Mic odu eza ....................................................................................... 37 5.4 Ca ac e ización ecnológica, icción y desgas e ....................................... 38 6 Resul ados ob enidos. ....................................................................................... 41 6.1 Ca ac e ización del ecub imien o ob enido ............................................. 41 6.1.1 Espeso .............................................................................................. 41 6.1.2 Po osidad ........................................................................................... 42 6.1.3 Topología ........................................................................................... 43 6.1.4 P opiedades mecánicas ..................................................................... 45 6.1.5 Mic oes uc u a y ases p esen es .................................................... 49 6.2 Ca ac e ización ecnológica, icción y desgas e ....................................... 53 7 Discusiones ........................................................................................................ 59 7.1 Ca ac e ización del ecub imien o ob enido ............................................. 59 7.1.1 Po osidad ........................................................................................... 59 7.1.2 Mic odu eza ....................................................................................... 60 7.2 Mic o es uc u a y ases p esen es ........................................................... 61 7.2.1 NiCoC AlY ........................................................................................... 61 7.2.2 CoNiC AlY ........................................................................................... 62 7.3 Ca ac e ización ecnológica, icción y desgas e ....................................... 64 8 Conclusiones ...................................................................................................... 70 8.1 Recub imien o ob enido............................................................................ 70 8.2 F icción y desga e ...................................................................................... 72 9 Bibliog a ía ......................................................................................................... 74 10 Publicaciones en e is as y pa icipaciones en cong esos de i ado del abajo in de más e . ............................................................................................................. 77 Mo i ación y Obje i os 1 1 Mo i ación F en e a la exigencia de una mayo e iciencia ene gé ica o la mejo a de la co osión a al as empe a as han apa ecido una g an can idad de supe aleaciones, MC AlY, donde M son bases de Cobal o(Co), Níquel(Ni) o Níquel-Hie o(Ni-Fe), con p opiedades é micas, mecánicas y ibológicas mejo adas, en e a los sus a os con encionales base Hie o, como los ace os inoxidables que es án limi ados has a 500o C en medios co osi os debido a la a inidad del ca bono a combina se con el c omo, dando luga a la o mación de ca bu os de c omo que disminuye sensiblemen e la esis encia del ma e ial an e la co osión (co osión in e g anula ). El ámbi o de aplicación de las supe aleaciones es p incipalmen e la indus ia ae onáu ica, en los álabes de las u binas y zonas expues as a una oxidación/co osión a al as empe a u as, donde el compo amien o ibológico, a la e osión o desgas e son ac o es limi an es pa a aleaciones de base hie o. Es en es e ipo de aplicaciones, debido a la geome ía de las piezas a p o ege , de odas las écnicas conocidas pa a aplica ecub imien os, la deposición é mica, y en especial la écnica High Veloci y Oxigen-Fuel p esen a una g an e sa ilidad de aplicación. O a aplicación de es as supe aleaciones es la u ilización como capa de anclaje en e el sus a o base hie o y ma e iales ce ámicos pa a c ea conjun amen e los denominados ecub imien os de ba e as é micas, mejo ando la e iciencia ene gé ica de aquellas aplicaciones donde se puede u iliza . La mo i ación de es e abajo es mejo a el compo amien o ibológico a al a empe a u a del ace o inoxidable, además de compa a los esul ados ob enidos en mic oes uc u a, p opiedades mecánicas y ibología con o os abajos que han u ilizado las mismas supe aleaciones, con de e en es écnicas de deposición é mica. Mo i ación y Obje i os 2 2 Obje i os 2.1 Obje i o Gene al, El obje i o undamen al del p esen e abajo es ca ac e iza los ecub imien os que mejo en la esis encia al desga e a al as empe a u as de ace os inoxidables, empleando supe aleaciones de base níquel y base cobal o de la amilia MC AlY, deposi as median e la écnica de p oyección é mica de al a elocidad (High Veloci y Oxygen-Fuel, HVOF). Con el in de log a es e obje i o gene al se plan ean los siguien es obje i os especí icos: 2.2 Obje i os especí icos La ca ac e ización de las supe aleaciones, sob e ace o inoxidable aus ení ico median e, • Ca ac e ización del pol o, sus a o y p oceso u ilizados. • Ca ac e ización del ecub imien o ob enido, analizando la geome ía de la capa log ada, con el in de con ola el espeso , po osidad y de ec os p esen es. • Ca ac e ización de las p opiedades mecánicas, ealizando ensayos de mic odu eza y lexión de las di e en es supe aleaciones empleadas. • Ca ac e ización mic o es uc u al y ases p esen es, median e mic oscopia óp ica y elec ónica, así como po di acción de ayos X. • Ca ac e ización ecnológica, es udiando el compo amien o de los ecub imien os con ensayos de icción y de desga e a empe a u a ambien e y al a empe a u a. Es ado del A e 3 3 Es ado del A e Con el espí i u de conoce las expe iencias y li e a u a écnica e e en e a la ca ac e ización de supe laciones po deposición é mica, se ealiza un b ains o ming de palab as cla e pa a p ocede a la búsqueda, en las bases de da os cien í icas, biblio ecas e in o mación disponible en in e ne P e ia selección de documen os, se pasa a la lec u a de la in o mación ob enida y ex acción de in o mación ele an e pa a o ma un ema io, con és e se p ocede á al lis ado de eseñas del es ado del a e. Lis ado de palab as cla es en la ca ac e ización de supe laciones po HVOF T as analiza los obje i os del abajo y consul a a compañe os y p o eso es, ob eneos un lis ado de palab as elacionadas con el abajo a desa olla que nos pe mi i á de e mina un pun o de pa ida en la búsqueda de in o mación, las p incipales palab as cla es seleccionadas han sido, Cha ac e iza ion/Mic os u u al cha ac e iza ion/The mal sp ay/The mal Ba ie Coa ings/High Veloci y Oxi Fuel/Supe alloy/Cobal alloy/Niquel alloy/Coa ing//Oxida ion/Po osi y/NiCoC AlY/CoNiC AlY/Co osion/ Coa ing Wea /Wea - a e /The mal ba ie coa ing/applica ion supe alloys. Las palab as cla e han sido buscadas en inglés pa a amplia el alcance de la búsqueda. Base de Da os Las p incipales bases de da os u ilizadas en las búsqueda de in o mación han sido Scopus/Else ie /Biblio eca UPV/Tesinas/Doc o ados/In e ne /Schola google/Manuales Sulze Me co/Manuales HVOF Oe likon. 3.1 Supe aleaciones Las supe aleaciones son los ma e iales me álicos que ienen unas p opiedades de igidez y esis encia a luencia a al as empe a u as, p esen ando una buena es abilidad supe icial, a la co osión y la oxidación, además p esen an ma ices Es ado del A e 4 aus eni icas y es uc u as c is alinas cubicas cen ada en ca as, siendo los p incipales elemen os de las ma ices, níquel, cobal o o níquel-hie o. El e mino supe aleación ue u ilizado po p ime a ez después de la segunda gue a mundial, desc ibiendo así las aleaciones c eadas pa a u iliza se en las comp eso es y alabes de los mo o es de u bina pa a la a iación que equie en una uncionalidad y es abilidad a al as empe a u as. El campo de aplicación de las supe aleaciones de las supe aleaciones se ha ex endido a sec o es como la cogene ación de ene gía, obe as en p opulsión en cohe es/misiles, indus ia química así como plan as pe olí e as. Ejemplos de supe aleaciones conocidas, po se las pione as y debido a su buen esul ado son los siguien es, Has elloy, Inconel (e.g. IN100, IN600, IN713), Waspaloy, Rene alloys (e.g. Rene 41, Rene 80, Rene 95, Rene N5), Haynes alloys, Incoloy, MP98T, TMS alloys, and CMSX (e.g. CMSX-4) single c ys al alloys. Una nue a aplicación de las supe aleaciones es la u ilización de las mismas es como ba e a de anclaje pa a un ma e ial ce ámico, p incipalmen e en el ámbi o de aumen o de e iciencia en u binas/alabes/e c., es e p oceso se conoce como ecub imien os de ba e as é micas, pos e io men e se explica con mayo de alle debido su impo ancia. 3.1.1 Aplicaciones de las supe aleaciones. Como hemos mencionado an e io men e, Un ejemplo de aplicación p ác ico de las supe aleaciones de base níquel es el ecub imien o de álabes pa a una u bina de gas ( igu a 1), se mues a una ep esen ación de una u bina con sus dis in as pa es in e nas, mien as que en la igu a 2 se mues a un alabe eal con signos de daño po co osión y oxidación a al a empe a u a. Los álabes suelen ab ica se con supe aleaciones y capas de ba e a é mica con aleaciones MC AlY como ecub imien o pa a sopo a las condiciones ex emas de empe a u a y a mos e a de abajo. Es ado del A e 11 Figu e 6. Ejemplo ilus ado de [Cen o s iluppo ma e iali TB, web] Es aquí donde se ha demos ado que los pa áme os aplicados en el p oceso de HVOF ienen un in luencia en la ca ac e ís ica del ecub imien o de anclaje, la can idad de oxigeno, el amaño de la pa ícula y la empe a u a del sus a o, en e o os. Los ecub imien os de ba eas é micas o The mal Ba ie coa ing (TBC), como se les conoce en inglés son los más a anzados ma e iales u ilizados como ecub imien os. Figu e 7. De alle ilus ado de in e ne [Subs ech, web] La p incipal aplicación es la de educi la ans e encia é mica de un p oduc o, aplicando una se ie de capas. El sus a o puede se an o me álico o los más a anzados, basados en políme os e moes able, así mismo, como ecub imien o de anclaje en e la ba e a é mica y el sus a o, se suelen u iliza supe aleaciones de base Ni, Co, po su es abilidad de capa oxido é micamen e c ecida que p esen an. Es ado del A e 12 Finalmen e como ba e a é mica las más u ilizadas son, • Zi conia (Z O2) • Y io (Y2O3) • Magnesia (MgO) • Alúmina (Al2O3) • Be ilia La p oyección del pol o undido p oduce un e ec o de aglome ado o solape mo a de pol o a pol o p esen ando una mo ología, el impac o dependiendo de la ciné ica que lle e, p esen a unas escames o splahs que, pa ícula sob e pa ícula, dan o ma a la supe icie del ecub imien o. Recub imien os esis en es a al as empe a u as. La capacidad de man ene buenas p opiedades esis en es an o mecánicas como de es abilidad química a ele adas empe a u as de se icio es undamen al pa a la ab icación de ma e iales e ac a ios. Los sis emas más empleados pa a es e ipo de ecub imien os son las aleaciones base níquel. Recub imien os esis en es a la e osión. La esis encia a la e osión es la p opiedad de del ma e ial de no des ui se bajo la acción de lujos de gas, líquido o pa ículas sólidas, así como el enómeno de la ca i ación y bajo las desca gas eléc icas. Pa a es e ipo de p o ección se suele emplea ecub imien os densos de base ca bu os de ol amio y c omo, ob enidas po el mé odo de HVOF. Recub imien os esis en es al desgas e, La esis encia al desgas e es la p opiedad de las piezas de las máquinas conse a sus dimensiones, o mas o el es ado de su supe icie bajo las ensiones esiduales después de la acción de las ca gas o/y esis i al de e io o de la supe icie con a la icción. En condiciones de desgas e con lub ican es líquidos que o man películas, se u ilizan ma e iales an i icción como b onces y me al Babbi . Pa a el desgas e en seco, a empe a u as in e io es a 500 ºC, se emplea la combinación de ma e iales du os con ligan es dúc iles, como ca bu o de wol amio con cobal o o níquel. Has a empe a u as de 900 ºC se emplean ca bu os de níquel y c omo. A empe a u as más ele adas se aplican los ma e iales que o man óxidos es ables, de aluminio o de i anio, y lub ican es sólidos como g a i o, bisul a o de molibdeno, ni u o de bo o. Es ado del A e 13 Recub imien os esis en es a la co osión, la des ucción de los me ales po co osión es á p o ocada po p ocesos químicos y elec oquímicos que ocu en en la supe icie del me al. La esis encia a la co osión se de e mina po la elocidad de co osión, es deci la masa de ma e ial po unidad de iempo con e ida en p oduc o de co osión, así como po el espeso de la supe icie dañada (mm/año), o bien, masa de ma e ial pe dida en la unidad de iempo y supe icie (mg/dm2-día o mdd). Se dis inguen la co osión po la a mós e a o el medio ag esi o: en agua de ma , co osión en capas eá icas, ácido, alcalino, oxidan e. También se clasi ica po ipo de daño: a aque po picadu as, co osión po icción, bajo co ien e eléc ica, e c. En el caso de p o ección de ace os se u ilizan ma e iales de ipo anódico, con en un po encial más nega i o que el del hie o; como magnesio, zinc, aluminio. Como p o ec o es de ipo ca ódico se emplean me ales esis en es a la co osión como plomo, es año, c omo, cob e y i anio. La p incipal exigencia es la ausencia de po osidad que impida la pene ación de líquidos elec olí icos en e el ecub imien o y el sus a o. 3.2.1 HVOF (High Veloci y Oxy-Fuel) La p oyección é mica ue desa ollada a p incipio del siglo XX po la Swiss enginee Ul ich schoop, que iendo undi me al en pol o y p oyec a lo sob e una supe icie a a a , pa a aumen a las p es aciones del p oduc o, siguiendo la es uc u a desc i a a con inuación. Figu e 8. Esquema HVOF [Na ionalalloysolu ions, web] Den o de la écnica de deposición é mica HVOF, es una de las écnicas más ex endidas en la indus ia pa a undi un ma e ial en pol o y p oyec a lo con una ene gía ciné ica de e minada, u ilizando cómo combu en e dos a ian es, Es ado del A e 14 • Gas- uel HVOF. (p opano/hid ógeno/p opileno/gas na u al) • Liquid uel HVOF. (Ja -A/Ke oseno) La u ilización de una de las dos a ian es depende de, la geome ía de la pieza, composición del sus a o, espeso de ecub imien o eque ido, ugosidad deseada y á ea a ecub i , siendo las p incipales aplicaciones es el ecub imien o de piezas pa a, esis encia al desgas e, esis encia a la co osión, esis encia a la oxidación, se icio a al as empe a u as y econs ucción de piezas Las p incipales aplicaciones de los ecub imien os c eados con es a écnica son, • Ae onáu ica, u binas/alabes/ o o es • Gene ación de ene gía, Tobe as/sis emas de escape • Au omoción, ho quillas de ansmisión • Maquina ía pesada, camisas hid áulicas/pis ones/cojine es • Imp esión y papel, cilind os de imp esión/inyec o es de in a Siendo uno de los p ocesos más empleado en la ac ualidad pa a p oyec a la capa de unión en sis emas de ba e as é mica es la p oyección é mica de al a elocidad (HVOF: High Veloci y Oxygen Fuel), en el cual el pol o es p oyec ado a al a elocidad con un gas y es pa cialmen e undido con la llama p oducida po la combus ión de la mezcla de un gas y oxigeno ( igu a 7), con es e p oceso se ob ienen ecub imien os me álicos y ce ámicos de espeso adecuado y de al a densidad, en un p oceso ápido, po lo que su uso ha aumen ado en los úl imos años, sin emba go, el p oceso gene a po osidades debido a la al a de usión de las pa ículas y una mic oes uc u a no homogénea, que educen su esis encia a la oxidación y la co osión a al as empe a u as [Zhao e al. 2004a]; lo cual puede se co egido con écnicas como la e- usión láse y la e- usión po haz de elec ones, que log an la densi icación o al y la homogeneidad mic o es uc u al necesa ias en un ecub imien o de ba e a é mica. 3.2.2 Plasma sp ay El p oceso de p oyección po plasma o plasma sp ay puede se empleado en los TBCs con una amplia a iedad de ma e iales, incluidos los ce ámicos y las supe aleaciones MC AlY, con un ele ado endimien o. Su empleo disminuye el iesgo de deg adación del ecub imien o y del sus a o, en compa ación con o os Es ado del A e 15 p ocesos de al a empe a u a, aunque se p esen a el enómeno de oxidación de las pa ículas que no se unden comple amen e. El disposi i o que se u iliza pa a el p oceso plasma sp ay cons a de dos elec odos: un cá odo en o ma cónica si uado en el in e io de un ánodo cilínd ico ( igu a 9), que se ex iende más allá del cá odo, o mando una boquilla en su ex emo. La e ige ación de los elec odos du an e el p oceso, se ealiza po medio de unos ci cui os con agua que ci cula en su in e io , lo que e i a la usión de dichos elec odos. Un impulso de co ien e c ea un a co en e los dos elec odos. Es e a co es man enido po una co ien e es aciona ia de ele ada in ensidad. Un gas ine e (He, H2 o N2 o mezclas) luye a a és del espacio comp endido en e los dos elec odos, el cual y debido al a co eléc ico es ablecido disocia sus moléculas en sus á omos cons i uyen es ionizándolos. De es e modo, el gas exis en e en el in e io del a co se ans o ma en un conjun o de iones y elec ones muy ene gé icos, es deci , un plasma. La co ien e en su eco ido en e los dos elec odos alcanza la boquilla del disposi i o, o mando allí una llama de plasma ( igu a 8). Figu e 9. Esquema del p oceso de p oyección é mica po Plasma [Sulze , 2012b]. La mo i ación de es e abajo mues a un in e és especial en ca ac e iza ecub imien os aplicados po écnicas HVOF que esis an a la oxidación y desgas e a ele ada empe a u a. Po lo que nos cen a emos en es a écnica al aplica el ecub imien o. Den o de las aplicaciones la máxima empe a u a y exposición a ambien es ag esi os la su i á la supe icie ex e na, el ecub imien o po lo que puede mejo a el compo amien o en se icio del conjun o y pe mi i una mayo Es ado del A e 16 e iciencia ene gé ica de u binas a gas, u bo máquinas e ins alaciones de apo del sec o ene gé ico. Las supe aleaciones base níquel han sido ampliamen e u ilizadas pa a las aplicaciones a ele ada empe a u a en u bo máquinas. Más del 50% de las u binas de gas mode nas son ab icadas con es os ma e iales. Pe o es impo an e des aca que las especi icaciones écnicas pa a las aplicaciones ae onáu icas y pa a gene ación de ene gía eléc ica son di e en es, po que exis en ac o es di e enciado es como: la calidad del combus ible, las condiciones ope a i as, así como los equisi os de man enimien o de la máquina. Va iando la can idad de elemen os de aleación, la esis encia a la oxidación y la esis encia a la co osión en calien e pueden se modi icadas pa a adap a la supe aleación de base níquel o base cobal o a la aplicación conc e a. 3.3 F icción y desgas e en ecub imien os MC AlY Den o del alcance del abajo, como pa e de la ca ac e ización ecnológica, el desgas e se á ema a es udia en p o undidad. Los ecub imien os se u ilizan en algunas aplicaciones de ingenie ía pa a educi la icción y el desgas e que se ob end ía con el sus a o sin ecub imien o. En el caso de los ecub imien os MC AlY es o se log a incluso a al a empe a u a. Pa a e alua el compo amien o de icción y desgas e se suelen ealiza ensayos ibológicos en seco o lub icados que simulen las condiciones de se icio ( elocidad, ca ga, empe a u a, humedad, e c.), uno de los más empleados po su e sa ilidad es el ensayo de pin sob e disco o bola sob e disco [ASTM 2010, DIN 1992] en el cual el ma e ial a e alua gi a a una de e minada elocidad de o ación y la bola (bola o pin) se pone en con ac o con la supe icie del ma e ial con una ca ga no mal a la supe icie con magni ud conocida (masa), el equipo es capaz de egis a la ue za adial que se gene a po la icción y mide el desplazamien o del pin o la bola pa a moni o ea el desgas e. A pa i de las mediciones es posible calcula el coe icien e de ozamien o dinámico y el olumen eliminado. Los mecanismos de icción que se p esen an en e dos cue pos en con ac o y con mo imien o ela i o son comunes en los ma e iales me álicos, el Es ado del A e 17 más p obable es la adhesión de supe icies con aspe eza ( ugosas), que se obse a en de alle en la igu a 10, las in e acciones in e a ómicas p o ocan la unión adhesi a de los ma e iales en con ac o, que gene a ue zas adhesi as po con ac o, las uniones adhesi as se ompen si la ue za supe a la ca ga de cizallamien o. Figu e 10. Mecanismo de icción asociado a la adhesión de supe icies ugosas [Pe ei a, 2015] La ugosidad juega un papel impo an e en la icción gene ada en e dos supe icies, ya que puede inc emen a o disminui la icción en e ambas. O o mecanismo de icción se p oduce po el a ado (su cos) de la supe icie ( igu a 11), ya que siemp e el con a ma e ial es mucho más du o que el ma e ial a e alua , la ue za se o igina po la de o mación elás ica y posiblemen e plás ica cuando una supe icie opues a más du a se mue e a a és de una supe icie más sua e o más elás ica, la cual se inc emen a si se gene an pa ículas desp endidas que se in e ponen en las supe icie de con ac o. Figu e 11. Mecanismo de icción asociado al a ado p o ocado po un ma e ial du o [Pe ei a, 2015] También se puede gene a únicamen e la de o mación elás ica del ma e ial, de o ma con inua den o de una de las supe icies en mo imien o, causando un e ec o de his é esis que inc emen a la icción. Es ado del A e 18 El desgas e es el p oceso de desp endimien o de ma e ial de una supe icie. Es di e en e de la icción en el sen ido de que no es á eniendo luga en un momen o de e minado, sino du an e un pe íodo de iempo cuando las supe icies es án en con ac o po mo imien o deslizan e po ejemplo. El desp endimien o de ma e ial puede se debido a di e sos mecanismos [Holmbe g e al. 2007], en e los que se ienen: 1) adhe encia + ac u a, debida al e ec o adhesi o, ya que la ue za de co e causa al a ensión y es ue zos de co e en la supe icie que exceden la esis encia del ma e ial, una g ie a se o ma, lo que esul a en el c ecimien o de g ie as y desp endimien o de ma e ial ( igu a 12.a), po es e mecanismos se o man las pa ículas de desgas e (wea deb is). 2) ab asión + ac u a, se gene a debido a que una supe icie du a de o ma plás icamen e a una supe icie más dúc il y la de o ma en la medida en que las ensiones, p incipalmen e de al o cizallamien o se o man y exceden la esis encia del ma e ial y se o ma una g ie a, esul ando en el c ecimien o de la g ie a, la ac u a y el pos e io desp endimien o de ma e ial, dejando una huella ca ac e ís ica en la supe icie (su co)( igu a 12.b), po es e mecanismo ambién se pueden gene a pa ículas de desgas e. El p oceso de desgas e ab asi o comp ende dos si uaciones gene ales: ab asión de dos cue pos a bajas ensiones de con ac o, y ab asión de es cue pos, cuando pa ículas du as ab asi as es án en e los dos cue pos en con ac o, complicando el enómeno. 3) a iga + ac u a, se gene a po los ciclos de ca gas de comp esión en la supe icie de o mada, suele gene a desp endimien os de ma e ial en g andes po ciones ( igu a 12.c), el p oceso puede ene luga du an e un núme o ele ado de ciclos de al a ca ga. La clasi icación an e io de los mecanismos básicos de desgas e se cen a en la o ma de eliminación del ma e ial que se lle a a cabo, y se mues an en la igu a 12. Po es a azón el desgas e iboquímico no es á incluido. Los p ocesos químicos que ienen luga en una supe icie son sin duda impo an es, pe o no Es ado del A e 19 son los mecanismos que causan la mayo eliminación de ma e ial en aleaciones MC AlY. Figu e 12. Mecanismos de desgas e po deslizamien o básicos: a) adhesión b) ab asión y c) a iga [Holmbe g e al.2007] La o ma de cuan i ica el desgas e puede se median e el olumen eliminado, aunque no es un indica i o no malizado, ya que se puede ob ene mayo desgas e con mayo ca ga no mal en el ensayo, así como con mayo iempo o dis ancia de deslizamien o. Pa a conside a las a iables pa icula es del ensayo po deslizamien o se desa olló un modelo simpli icado de la asa de desgas e p opues o po Lancas e [Lancas e , 1967], basada en el desgas e olumé ico y que se mues a en la ecuación 1. 𝑊𝑟 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑠𝑠 (𝑚𝑚3) 𝐴𝑝𝑝𝑙𝑖𝑒𝑑 𝑙𝑜𝑎𝑑 (𝑁)𝑥 𝑆𝑙𝑖𝑑𝑖𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 (𝑚) (Ec.1) Donde W es la asa de desgas e olumé ica, Volumen loss es el olumen pe dido, Applied Load es la ca ga no mal y Sliding dis ance es la dis ancia de deslizamien o co espondien e al ensayo ealizado Es a o ma de calcula el desgas e es no malizada y pe mi e compa a los esul ados ob enidos en ma e iales con dis in os pa áme os de ensayo. El índice o asa de desgas e y el coe icien e de icción son pa áme os impo an es en el endimien o de los componen es ecubie os y some idos a con ac o dinámico con o as pa es. La oxidación de los me ales puede in lui en es os p ocesos de desgas e y mecanismos de daño [S o , 2002]. El compo amien o a desgas e a al a empe a u a en ecub imien os MC AlY ha sido es udiado po a ios au o es, a ando de mejo a el compo amien o de és os Es ado del A e 20 con la inclusión de pa ículas de ce ámica en el ecub imien o MC AlY [ Zhao e al. 2003]. A al a empe a u a el compo amien o de la icción y el desgas e cambia en las supe aleaciones base níquel, disminuyendo la magni ud del coe icien e de ozamien o y del olumen eliminado [S o 2002], al como se obse a en la igu a 13 pa a una supe aleaciones base níquel Nimonic 75. Hay una co elación muy es echa en e la caída en la icción y la apa ición de alo es de esis encia de con ac o posi i a y pe sis en e, a a és de las supe icies de con ac o, lo que indica el desa ollo de capas de al a esis encia sob e esas supe icies. Además, las asas de desgas e disminuyen con el iempo y pueden llega a se muy bajas a pa i de la caída en la icción. Los es udios de allados de las huellas de desgas e han demos ado que es os cambios es án asociados con el es ablecimien o de capas compac adas de óxido y pa ículas de aleación pa cialmen e oxidada en las supe icies de deslizamien o [S o 2002]. Es as se desa ollan a pa i de la aglome ación y compac ación de las pa ículas de esiduos de desgas e. Después de la gene ación de pa ículas de desecho, algunas se pie den de en e las supe icies en con ac o, pe o la mayo ía se conse an y pueden pa icipa en el desa ollo de las capas, que se compac an po las al as ca gas de comp esión. Las pa ículas se some en a la de o mación, la agmen ación y i u ación, y pueden descompone se en pa ículas más pequeñas. Una acción de es as pa ículas más inas puede se inalmen e pa e de la huella de desgas e, mien as que o as pueden aglome a se en algún luga de las supe icies de desgas e, especialmen e en anu as/su cos o madas p e iamen e en las p ime as e apas de deslizamien o. Plani icación 27 g ie as. Los ensayos se ealiza án según las no mas ASTM E290-14 [ASTM, E290- 14] y ASTM E855-08[ASTM, E855-08]. Con la in o mación ob enida, c ea una g á ica es ue zo s de o mación así como de e mina el módulo elás ico y lími e elás ico, median e mic oscopia óp ica ob ención de imágenes de las g ie as y desp endimien o del ecub imien o. Pa a así pode cumpli con el obje i o especí ico indicado en el apa ado 2.2 de ca ac e ización de las p opiedades mecánicas. Mic o es uc u a y ases p esen es Análisis de las ases y p ecipi ados p esen es en la mic o es uc u a en los ecub imien os ob enidos median e mic oscopia de ba ido de elec ones así como análisis químico median e ene gía dispe si a de ayos X, EDS, al mismo iempo ealiza es udio de la c is alog a ía de los ecub imien os con di acción de ayos X, DRX. No a: Ob ención de imágenes de elec ones e o dispe sados, a 100/250/1000/5000x. Pa a pode cumpli con el obje i o especí ico indicado en el apa ado 2.2 de ca ac e ización mic o es uc u al y ases p esen es. 4.4 Cua a ase, Ca ac e ización ecnológica, icción y desgas e Po a a se de la ca ac e ización ecnológica se e alua á el compo amien o de la ase de desgas e y la icción en e al inc emen o de la empe a u a a 20oC, empe a u a ambien e, 350oC, empe a u a media y 500oC, al a empe a u a. Realizando ensayos de desgas e sob e las supe icies del ecub imien o y sob e el sus a o, pa a compa a los. Se p ocede á median e ensayo pin on disk u ilizando la siguien e con igu ación pa a pode compa a los esul ados con abajos en cu so con di e en es écnicas de deposición, Plani icación 28 Ensayo de Pin-on-Disk según la ASTM G99-05 [ASTM, G99-05], • de 500 me os de eco ido. • a 239 e /min. • con huella de ø8 mm. • Fue za de 10 N. • Bolas de alúmina. Pa a empe a u a ambien e (20 oC), medio ango (350 oC) y al a empe a u a (500 oC). Ob ención de la ase de desgas e y coe icien e de ozamien o de los ecub imien os y sus a o. La media del coe icien e de ozamien o se á calculada desde una zona es able del comienzo del ensayo has a el inal del mismo. La ase de desgas e se ob end á con la di e encia de peso de la mues a as el ensayo aplicando la ecuación 1, Pa a una mayo comp ensión de los mecanismo de desgas e p esen e en los di e en es empe a u as oma mues as de mic oscopía óp ica oma de imágenes donde se pueda ap ecia de o ma gene al la pis a de ensayo a 50/100x y median e mic oscopía elec ónica oma de imágenes de elec ones secunda ios donde se pueda ap ecia de o ma gene al la pis a de ensayo pa a cada una de las supe aleaciones a 35/250/1500/2000x así como imágenes de elec ones e o dispe sados. Pa a un es udio más de allado y ca ac e ización de posible óxidos gene ados se ob end án imágenes a di e en es magni icaciones de las pis as ensayadas/pol o y con a ma e ial así como análisis químico median e ene gía dispe si a de ayos X, EDS. Ob ención del pe il de las di e en es su cos/pis as c eados po los ensayos de desgas e a empe a u a ambien e (20oC) y al a empe a u a (500oC), median e medición con ocal, pa a ob ene la p o undidad de las pis as c eadas y pode compa a . Pa a así pode cumpli con el obje i o especí ico indicado en el apa ado 2.2 de ca ac e ización del ecub imien o ob enido. Desa ollo expe imen al 29 5 Desa ollo expe imen al Los desa ollos han sido ealizados siguiendo las indicaciones desc i as en la plani icación. 5.1 Ca ac e ización del pol o u ilizado Pa a la ca ac e ización del pol o u ilizado di e en es écnicas y equipos has sido u ilizado, pa iendo de la medición del amaño de pa ícula, ob eniendo la media y des iación así como la mo ología del mismo median e mic oscopía elec ónico de ba ido. El ma e ial en pol o u ilizado an o pa a la base níquel NiCoC AlY (Ni 23Co 17C 12Al 0.5Y) , y base cobal o CoNiC AlY (Co 32Ni 21C 8Al 0.5Y), son ma e iales come ciales de la ab ican e Sulze Me co, La denominación come cial pa a de Sulze Me co pa a la aleación base níquel es la Amd y 365-2, y pa a la aleación base cobal o Amd y 995C. 5.1.1 G anulome ia El amaño dis ibución de las pa ículas, se ealizo con un di ac óme o láse , ma ca Mal en Ins umen s, modelo Mas e zsize 2000 lase di ac ome e , el mé odo empleado pa a la medición del amaño de las pa ículas suspendidas en un luido (agua des ilada) es el p incipio ísico de la dispe sión de las ondas elec omagné icas que se gene a con la di acción láse , las pa ículas dispe sadas pasan a a és del á ea de medida, y el haz lase ilumina las pa ículas, mien as que una se ie de de ec o- es hacen la medición de al a p ecisión de la in ensidad de luz di ac ada po las pa í-culas, en un amplio ango de ángulos. El diáme o equi alen e de cada pa ícula es medido, gene ando un epo e con la dis ibución del amaño de pa ícula, así como su amaño p omedio y des iación. Tabla 3. Table 3. Tamaño pa ícula pol o MC AlY Ma e ial Tamaño (µm) De . S ada d (µm) NiCoC AlY 55 6 CoNiC AlY 64 7 Desa ollo expe imen al 30 5.1.2 Mo ología Las supe aleaciones p esen an una mo ología es e oidal ípica del a omizado po gas, los ma e iales han sido a omizados p e aleados, La igu a 14, se puede obse a el pol o los ma e iales MC AlY a omizado po gas con o ma es e oidal mayo i a iamen e y algunos sa éli es adhe idos, sob e la supe icie. Figu e 14. Mic oscopia elec ónica de ba ido, pol o MC AlY Las imágenes de la mo ología del pol o han sido ob enidas median e un mic oscopio elec ónico de ba ido JEOL JSM6300 ( igu a 15), equipado con de ec o de elec ones secunda ios (SE) y de ec o de elec ones e odispe sados (BSE) ma ca Jeol, de ec o de ayos X pa a espec oscopia de ene gía dispe si a (EDS) y de ec o de ayos X pa a espec oscopia po dispe sión de longi ud de onda (WDS) y de ec o de elec ones e odispe sados di ac ados (EBSD) ma ca Ox o d Ins umen s. Figu e 15. Mic oscopio elec ónico de ba ido de elec ones (se icio de mic oscopía UPV) Desa ollo expe imen al 31 5.1.3 Densidad supe aleaciones La composición química de los pol os mos ada en la abla, esume los alo es medios desc i o po el ab ican e según el ce i icado de ma e ia según la no ma EN 10204-3.1 ( abla 4). Tabla 4. Resumen ce i icado ma e ia p ima Ma e ial Ni % Co% C % Al% Y% C% H% O2% N2% Pb ppm NiCoC AlY 46,82 23,17 17,06 12,32 0,42 0,01 -- -- -- <10 CoNiC AlY 32,17 38,14 21,00 7,99 0,45 0,01 0,004 0,02 0,01 -- En la abla 5, se pueden e las dis in as densidades ob enidas. La densidad de las supe aleaciones ha sido calculada median e la suma de las dis in as densidades de los ma e iales p esen e en las aleaciones, mul iplicado po el % de ma e ial p esen e en el o al. Tabla 5. Densidad calculada del pol o aleado MC AlY Densi y (kg/m 3 ) Ma e ial Al C Co C Ni Y To al 2700 2267 8900 7140 8908 4472 NiCoC AlY 332,640 0,023 2062,130 1218,084 4170,726 1,878 7785 CoNiC AlY 215,730 0,023 3394,460 1499,400 2865,704 2,012 7977 5.1.4 Di acción de ayos X de los pol os MC AlY La di acción de ayos X se lle o a cabo con el di ac ome o Philips X’pe ( igu a 16), u ilizando adiación Cu Kα monoc omá ica (λ=0.15406 nm), los pa ones de di acción de ayos X se egis a on en un in e alo 2θ (g ados) de 20 a 90o y pos e io men e se analiza on u ilizando el so wa e X’pe Plus y base de da os de es uc u as c is alog á icas p esen e en los pol os de pa ida. Desa ollo expe imen al 32 Figu e 16. Di ac ome o de ayos X Philips X'Pe (Ins i u o de ecnología Química UPV) 5.2 Recub imien o del sus a o El ecub imien o de sus a o ha sido ealizado po nues os colegas del Cen e de P ojecció Té mica de la Uni e sidad de Ba celona, sob e sus a o de ace o inoxidable AISI 304 de (200x30x3 mm), median e la pis ola de deposición é mica Model DJ-2600/2700 (Sulze Me co Inc., Wes bu y, NY, USA), la in o mación ace ca de los pa áme os u ilizados en la p oyección así como de los equipos auxilia es, no ha sido acili ada. 5.3 Ca ac e ización del ecub imien o ob enido 5.3.1 P epa ación mues as me alog á ícas Pa a la obse ación en los mic oscopios se p epa a on mues as me alog á icas a pa i de los ecub imien os ob enidos. Pa a la ca ac e ización de los di e en es ecub imien os, las mues as de 15x15 mm ue on co adas Median e una co ado a au omá ica de p ecisión ma ca S ue s modelo Seco om-15 ( igu a 17), u ilizando un disco de co e ab asi o de bajo espeso y lub icación po cho o de acei e soluble con agua des ilada. Desa ollo expe imen al 33 Figu e 17. Co ado a au omá ica de p ecisión (ins i u o de ecnología de ma e iales UPV) Pa a acili a el manejo, las mues as ue on, jun adas a o ma de sándwich y embu idas en p obe as de diáme os es ánda es de 25 mm en esina anslucida polime ilme ac ila o (PMMA) no conduc o a, la embu ido a u ilizada es au omá ica con e ige ación ma ca S ue s modelo Ci op ess-1 ( igu a 18) y son iden i icadas median e la desc ipción de la aleación y el sus a o. Figu e 18. Embu ido a au omá ica de mues as (ins i u o de ecnología de ma e iales UPV) Pa a la e apa de desbas e de la supe icie a p epa a se ha empleado papel ab asi o de Ca bu o de Silicio (SiC) con di e en es g anulome ías: g i 220, 500 y 1000, en una desbas ado a de disco de elocidad a iable, con agua como e ige an e, ma ca S ue s modelo Labopol-25 ( igu a 19), gi ando a unos 150 pm, y has a ob ene una supe icie plana y egula . Desa ollo expe imen al 34 El p oceso de pulido de las mues as se ha lle ado a cabo en dos e apas: la p ime a empleando un disco de pulido magné ico de 200 mm de diáme o de lana sin é ica ma ca S ue s ipo MD-Plus, como ab asi o se ha u ilizado pas a de diaman e de 3 μm con acei e lub ican e soluble. Figu e 19.Desbas ado a de discos de elocidad a iable (Ins i u o de ecnología de ma e iales UPV) En la segunda e apa (pulido ino) se ha empleado un disco de pulido magné ico de lana sin é ica de ib a co a ma ca S ue s ipo ND-Nap, como ab asi o se ha u ilizado pas a de diaman e de 1 μm con acei e lub ican e. En ambas e apas se ha u ilizado una pulido a de b azo au omá ico ma ca S ue s modelo Labopol-5 ( igu a 20), los iempos de pulido es u ie on en e 3 y 6 minu os has a ob ene una supe icie especula adecuada pa a su obse ación en el mic oscopio. Figu e 20. Pulido a au omá ica de mues as (ins i u o de ecnología de ma e iales UPV) Desa ollo expe imen al 35 5.3.2 Espeso y po osidad Ha sido empleado un mic oscopio óp ico ma ca Nikon modelo LV-100 se ies ( igu a 21), equipado con el so wa e Nikon NIS-Elemen s AR© pa a análisis de imágenes, mesa elec ónica y cambio de len e au omá ico, con obje i os de 50X, 100X, 200X, 500X y 1000X. El so wa e pe mi e ob ene análisis de po osidad median e á ea, cuan i icación del espeso del ecub imien o y análisis de las ases p esen e median e edición de imágenes. Figu e 21. Mic oscopía óp ica de mesa elec ónica y cambio de len es au omá ico (ins i u o de ecnología de ma e iales UPV) 5.3.3 Ca ac e ización mic o es uc u al La ca ac e ización mic o es uc u al ha sido lle ada a cabo sob e las mues as p epa adas pa a la ca ac e ización del ecub imien o ob enido, u ilizando imágenes de elec ones e o dispe sados de la mic o es uc u a con el mic oscopio de ba ido de elec ones JEOL JSM6300 ( igu a 14) a di e en es magni icaciones, 1000/1000 BS y 5000x p incipalmen e. Pa a cuan i ica la composición química de los di e en es pun os analizados, ayos-x po ene gía dispe si a median e de ec o de 20 µm2, de Ox o d In umen s, han sido u ilizados. 5.3.4 Ensayo de lexión Pa a el ensayo de lexión ha sido u ilizada una máquina uni e sal de ensayos de doble columna ma ca SHIMADZU modelo AG-X ( igu a 22) de 50 kN de capacidad y elocidad de ensayo a iable, con ex ensóme o de con ac o y ideocáma a. El disposi i o de lexión u ilizado es á compues o de odillos de ace o endu ecido Desa ollo expe imen al 36 con adios de 5 mm, y la dis ancia de apoyo en e odillos in e io es se ha ajus ado a 22 mm. Du an e el ensayo se ha medido la de lexión en la supe icie ex e io del ecub imien o con un de lec óme o digi al ma ca Epsilon Technology modelo 3540-004M-ST, que se ha ins alado en la máquina uni e sal de ensayo. Se ha egis ado ambién de o ma simul ánea el desplazamien o del empujado du an e el ensayo. La elocidad de ensayo ue de 0.50 mm/min con desplazamien o cons an e. Figu e 22. Máquina uni e sal de ensayo de 50 kN y de alle del disposi i o de de lexión con el de lec óme o ins alado (ins i u o de ecnología de Ma e iales UPV) Se egis ó la cu a ca ga s desplazamien o, así como la cu a ca ga s de lexión cen al en la supe icie del ecub imien o (mm), y a pa i de ellas se calculó el es ue zo nominal a lexión (σ lexion) y la de o mación uni a ia (εex ) de la ib a ex e io (supe icie del ecub imien o) empleando las ecuaciones 2 y 3 espec i amen e. σ�lexion = 3LF 2b 2 (Ec. 2) εex = 6 d l2 (Ec. 3) Donde L es la dis ancia de apoyo de los odillos in e io es, F es la ca ga cen al aplicada, b es el ancho de la mues a, es el espeso o al de la mues a y d es la de lexión medida en la línea cen al de la supe icie ex e io del ecub imien o. A Resul ados ob enidos 43 El ma e ial NiCoC AlY, p esen a una agmen ación las pa ículas/capas en el ecub imien o ob enido, con o me se aleja del sus a o ( igu a 30), ap eciándose una meno agmen ación en el lími e en e el sus a o y el ma e ial, no es lo que sucede con el ma e ial CoNiC AlY que p esen a una meno agmen ación en odo su ecub imien o, pe o, p esen a una mayo agmen ación o al a de adhe encia en el lími e en e el ecub imien o y el sus a o. Figu e 30. F agmen ación NiCoC AlY MO x100 La abla 8 mues a los alo es ob enidos de po osidad po unidad de á ea. Tabla 8. Po osidad en las supe aleaciones Ma e ial 1 2 3 4 Mean (%) S d. De . (%) NiCoC AlY 21,93 26,87 23,45 23,01 23,23 2,13 CoNiC AlY 13,13 14,23 16,85 14,94 14,58 1,56 6.1.3 Topología Como pa e de la ca ac e ización se ha analizado la supe icie del ecub imien o ob enido, di e sas imágenes de la opología de las supe aleaciones han sido omadas, obse ándose una supe icie más ab up a y con mayo es pa ículas in undidas en el ma e ial NiCoC AlY, como se puede ap ecia en la igu a 30. Resul ados Ob enidos 44 Figu e 31. Topología supe aleaciones SEM x100 En el ecub imien o NiCoC AlY se puede obse a pa ículas, que habiendo sido undidas y p oyec adas ( igu a 31), no se han in eg ado c eando un odo con el ecub imien o, es a enómeno es conocida como cake. Figu e 32. Mic oscopia Elec ónica de Ba ido opología NiCoC AlY a di e en es aumen os: a) 100x, b) 250x, c) 1000x El ecub imien o CoNiC AlY puede se obse ado con más de alle en la igu a 32, nada eseñable. Figu e 33. Mic oscopia Elec ónica de Ba ido opología CoNiC AlY a di e en es aumen os: a) 100x, b) 250x, c) 1000x Resul ados ob enidos 45 6.1.4 P opiedades mecánicas Mic odu eza T as los ensayos ealizados, el ma e ial NiCoC AlY p esen a mayo du eza que el CoNiC AlY, obse ándose una cie a es abilidad en la du eza a lo la go de la p o undidad del ecub imien o, educiéndose con o me nos ace camos al sus a o. El ma e ial CoNiC AlY p esen a un aumen o de du eza a medida que nos ace camos al sus a o, educiéndose con la misma endencia que el NiCoC AlY. En la abla 9, se pueden e los esul ados as el ensayo de mic o du eza. Tabla 9. Mic odu eza Ha d Vicke s (HV0.1 scale), NiCoC AlY Coa ing Sus a e Dis ance µm om he op 50 150 250 350 450 550 HV (0,01) 305 294 329 313 210 174 384 305 346 272 165 163 346 364 346 266 168 151 Mean 345 321 340 284 181 163 s ade 40 38 10 26 25 12 En ambos ecub imien os, la du eza conseguida ha sido supe io a la del sus a o, como ambién se puede co obo a en la abla 10 que p esen e el ma e ial CoNiC AlY. Tabla 10. Mic odu eza Ha d Vicke s (HV0.1 scale), CoNiC AlY Coa ing Subs a e Dis ance µm om he op 50 150 250 350 450 550 HV (0,01) 238 228 215 224 177 149 159 228 272 278 168 149 206 254 278 215 177 146 Mean 201 237 255 239 174 148 s ade 40 15 35 34 5 2 Ambos ma e iales p esen an picos de du eza a unas 250 µm de la supe icie, aun eniendo una dispe sión ap eciable en eses pun o, no es el caso de la a iación ob enida a 150 µm, que pa a ambos ma e iales es muy baja. La igu a 34, Resul ados Ob enidos 46 mues a de o ma g a ica la a iación de la mic o du eza en e a la p o undidad del sus a o. Los alo es de mic o du eza ob enidos a las p o undidades de 450 y 550 µm, co esponden al sus a o. Figu e 34.Mic odu eza MC AlY en o ma g á ica Ensayo de lexión a es pun os, Las supe aleaciones han sido e aluadas a ensayo de lexión de es pun os, some iendo a es ue zos de acción la supe icie del ecub imien o, compu ando el cálculo del es ue zo nominal y la de o mación de la ib a ex e na de los ecub imien os, en la abla 11, mues a los esul ados de ob enidos as el p ocesado de da os ob enidos en los ensayos. Tabla 11. Resul ados ensayos lexión Ma e ial Yield s eng h (0,2 YS) (MPa) Ul ima e bending s eng h (UBS) (MPa) Mean S ande Mean S ande AISI 304 511,60 47,76 744,71 39,53 NiCoC AlY 542,72 22,13 822,82 20,06 CoNiC AlY 602,01 31,16 805,19 76,60 Resul ados ob enidos 47 Rep esen ado los ma e iales en una g á ica es ue zo s de o mación, ( igu a 35) d se obse a una co elación en e el sus a o y los ecub imien os aplicados, llegando a la conclusión de que el ex ensóme o axial no de ec o la o u a de ecub imien o. Figu e 35, Tensión/de o mación MC AlY Así mismo, en la igu a 36, se ep esen as los mismos alo es de o ma g á ica de ba as, Figu e 36.P opiedades mecánicas MC AlY Resul ados Ob enidos 48 En la igu a 37 y 38 se puede obse a el ipo de allo de los ecub imien os, NiCoC AlY y CoNiC AlY espec i amen e, la sección ans e sal de las mues as ensayadas en el ecub imien o NiCoC AlY p esen a o u a ágil, con una ac u a limpia y un desp endimien o de ecub imien o ( igu a 37.a/b/c), co espondien es a las es p obe as ensayadas, en la zona de adhesión con el sus a o, la in e ace. El ecub imien o CoNiC AlY p esen a el mismo compo amien o ágil obse ado en el NiCoC AlY, con ac u as múl iples en el ecub imien o pe o una mejo adhesión al sus a o ( igu a 37.e), mos ando una le e mejo a en é minos de duc ilidad, Po el ipo de o u a, sugie en que los ecub imien os alla on en la zona plás ica del ma e ial Figu e 37. Mic oscopia Elec ónica de ba ido, sección ans e sal o u a ecub imien o NiCoC AlY, a)/b)/c) a 50x, d)/e) a 150x, ) e o dispe sados a 150x. Figu e 38. Mic oscopia Elec ónica de ba ido, sección ans e sal o u a ecub imien o CoNiC AlY, a)/b)/c)/e) a 50x, ) a 150x, c) e o dispe sados a 150x. Resul ados ob enidos 49 6.1.5 Mic oes uc u a y ases p esen es Mic oscopia Óp ica Median e la obse ación en ma e ial NiCoC AlY, se di e encian dos ases en la pa e cen al de las pa ículas p oyec adas, una cla a p edominan e a modo de ma iz ( igu a 39.c) y una oscu a a modo de lóbulos es ando p esen e con un amaño ap eciable en el cen o de las pa ículas p oyec adas y pa cialmen e undidas con el es o, en las pa ículas de meno amaño así como en el bo de aquellas más g andes, la ase p edominan e es la oscu a. Los bo des de las pa ículas p oyec adas son ácilmen e de iden i ica , en las zonas donde la pa ícula p oyec a ha sido pa cialmen e aplas ada, p edomina una sola ase, de colo oscu o. El ma e ial CoNiC AlY, iene dos ases en las pa ículas p oyec adas, una oscu a p edominan e ac uando de ma iz ( igu a 39.e) y la o a cla a a modo de o mas i egula es edondeadas, ace cándose a dend í ica, es ando p esen e con o ma alea o ia an o en el cen o de las pa ículas p oyec adas y pa cialmen e en el bo de de las pa ículas de mayo amaño. Los bo des de las pa ículas p oyec adas son ácilmen e de iden i ica . Figu e 39. Mic oscopia Óp ica de los ecub imien os, a) y d) 100x, b) 250x, c) y e) 500x, Resul ados Ob enidos 50 Mic oscopia elec onica de ba ido Debido a que las imágenes de secunda ios dan poca in o mación ace ca de la mic oes u c u a de los ecub imin os, odas las imágenes se oma en elec ones e odicpe sados (BSE), donde se puede ap ecia las ases p esen es.Median e el uso de mic oscopia de de ba ido de elec ones, se co abo a las ases obse adas en mic oscopia op ica en el ecub imin os NiCoC AlY ( igu a 40), la ase oscu a p edominan e sob e la ma iz cla a, median e espec oscopia de ene gía dispe si a (EDS), se p ocede a analiza las di e en es ases, ob eniendo en la ase cla a, una ma iz ica en C y Co ( igu a 41, spec um1), mien as que en la ases oscu as en o ma lobula , hay p esen e una ase ica en Ni y Al así como Co( igu a 40, spec um2). La igu a 39.d, mues a los pun os donde se ha ealizado el análisis químico de las ases desc i as. Figu e 40. Mic oscopia elec ónica de ba ido, modo BSE, en NiCoC AlY a) 200x, b) 500x, c) 1000x, d) 5000x Resul ados ob enidos 51 Figu e 41, Análisis químico median e EDS en Mic oscopia elec ónica de ba ido NiCoC AlY Con la oma de imágenes de e odispe sados pa a el ecub imin o CoNIC AlY ( igu a 42), se obse a zonas donde solo es a la ase oscu a p esen e ( igu a 42.b). Figu e 42. Mic oscopia elec ónica de ba ido, modo BSE, en CoNiC AlY a) 200x, b) 1000x(cen e ), c) 1000x( op), d) 5000x Median e EDS, se p ocede a analiza las di e en es ases p esen es, ( igu a 42.d) ob eniendo en la ase oscu a, una ma iz ica en Co y Y así como de Ni y C ( igu a 43, spec um2), mien as que en la ases cla as en o ma i egula es, p esen an una ase ica en Co y Al ( igu a 43, spec um1) Resul ados Ob enidos 52 Figu e 43. Análisis químico median e EDS en Mic oscopia elec ónica de ba ido CoNiC AlY Indexación de ases median e di acción de ayos X Median e el análisis de di acción de ayos x, sob e los pol os y el ecub imien o se han iden i icación de las ases c is alog á icas de las supe aleaciones, con i mado pa a el ma e ial NiCoC AlY, la ase cla a, como ma iz ica en Ni (gamma) y la ase oscu a ica en Ni y Al (be a), ( igu a 44). Figu e 44.Pa ón de di acción ayos x pa a ecub imien o NiCoC AlY El análisis de di acción pa a el ecub imien o CoNiC AlY, ha con i mado la ase cla a, como ma iz ica en Co (gamma) y la ase oscu a ica en Co y Al (be a), ( igu a 45). Discusiones 59 7 Discusiones 7.1 Ca ac e ización del ecub imien o ob enido 7.1.1 Po osidad En abajos ealizados po Zhao L. e al 2004a, ace ca de cómo a ec an los pa áme os de la 3ª gene ación de pis olas de p oyección é mica HVOF sob e la po osidad y oxidación del NiCoC AlY p oyec ado. Ob eniendo una po osidad simila pa a las dis in as a iables es udiadas, de 1 a 2%, pe o una educción conside able de óxidos u ilizando como combu en e p opano. Sin emba go, el g ado de po osidad ob enido en es e abajo, no coincide, con los abajos documen ados po los au o es, llegando a alo es del 23% pa a el ecub imien o NiCoC AlY, u ilizando el so wa e de ges ión de imágenes Nikon NIS-Elemen s AR©, donde hemos podido educi el uido c eado po los óxidos y líneas de solape c eadas po los solapes de las pa ículas. Es e inusual g ado puede se debido al lujo o al u ilizado en la deposición é mica, SLPM, S anda d Li es Pe Minu e. Se obse a que el SLPM u ilizado en el abajo ealizado po Zhao L. e al 2004a, pa a ob ene una baja po osidad se encuen a en e 780-980 ( abla 14), mien as que en abajos ealizados en el Cen o de P oyección Té mica, po CRC. Lima e al 2007, al lujo o al u ilizado en la deposición é mica, SLPM, es án al ededo de 600 ( abla 15). Tabla 14. Pa áme os de p oyección u ilizados po L.Zhao e al 2004a, Discusiones 60 Tabla 15. Pa áme os de p oyección u ilizados po CRC. Lima e al. 7.1.2 Mic odu eza Los esul ados ob enidos sugie en una elación di ec a en e la du eza y la po osidad p esen e en el ecub imien o, en abajos ealizados po Mahesh R.H. e al. 2009, en aleaciones de NiC FeMoCo (Ni-21.95C -19,69Fe- 9,01Mo, 1,61Co) aplicado con HVOF, p esen an esul ados pa ecidos, con la misma endencia de máxima du eza en el medio de ecub imien o, como los ob enidos en es e abajo. Po o a lado Sidhu e al. 2004, u ilizó NiC AlY (Ni-22C -10Al-1Y) con plasma y e usión con lase , así como Pe ei a J. e al. 2015, que u ilizó las mismas aleaciones de NiCoC AlY y CoNiC AlY aplicadas po Lase cladding, ob eniendo en ambos abajos alo es de po osidad muy bajos o nulos, mos ando una mayo du eza y es abilidad en odo el espeso . Figu e 54. Compa a i a ma e iales y ecnologías de aplicación Discusiones 61 7.2 Mic o es uc u a y ases p esen es 7.2.1 NiCoC AlY En el ecub imien o NiCoC AlY, se obse a una ase mic oes uc u al nodula γ/β, la zona cla a co esponde a la ma iz γ-Ni, ma iz níquel, mien as que las zonas nodula es oscu as co esponden a la ase β, al igual que los abajos publicados po Donachie 2002. Median e análisis de EDS, ob enemos una ase ica en Ni, Co y C , ase γ ( igu a 58, spec um 1), mien as que en la ase β, los nódulos oscu os, p esen a ases icas en Ni, Al y Y.( igu a 58, spec um 2), como se cons a a en abajos ealizados K.J. Hemke e al 2007, sob e la mic oes uc u a de NiCoC ALY pa a la u ilización de ecub imien os de anclaje pa a ba e as é micas. La iden i icación de las p incipales ases en el ecub imien o NiCoC AlY, ha sido e i icada con la u ilización de pa ones de di acción de ayos X, que han con i mado una ase gamma níquel (ccc) y la ase be a NiAl (cc). Figu e 55, Mic oscopia elec ónica de ba ido, modo BSE 5000x, zona ce cana al ex e io del ecub imien o NiCoC AlY. Los esul ados ob enidos en es e abajo, siguen los esul ados ob enidos Pe ei a J. Tesis doc o al 2015, en su esis doc o al, como se puede obse a en la igu a 59, donde se ap ecia una mic oes uc u a ob enida po el g adien e de solidi icación y empe a u a alcanzada. Discusiones 62 Figu e 56, Imagen Pe ei a J. esis doc o al 2015, p. 141 7.2.2 CoNiC AlY El ecub imien o CoNiC AlY p esen a una misma mo ología en la mic o es uc u a nodula γ/β, desc i a en el NiCoC AlY, acen uando la g an can idad de ase β. A a és de análisis de EDS, iden i icamos una ase γ ica en Ni y C , ( igu a 60, spec um 1), mien as que en la ase β, ase oscu a p edominan e, ap eciándose una composición ica en Ni y Al .( igu a 60, spec um 2). La iden i icación de las p incipales ases en el ecub imien o CoNiC AlY, ha sido e i icada con la u ilización de pa ones de di acción de ayos X , e elado la ase gamma de níquel (ccc) y la ase be a NiAl (cc). Discusiones 63 Figu e 57 Mic oscopia elec ónica de ba ido, modo BSE 5000x, zona ce cana al ex e io del ecub imien o CoNiC AlY En su abajo de doc o ado, Pe ei a J. esis doc o al 2015, el ecub imien o CoNiC AlY ob enido po Lase cladding p esen a una ase β, es echa y pequeña en compa ación a la ob enida en es e abajo po HVOF, como se puede obse a en la igu a 61, p opiciada po la elación de elocidad de solidi icación y el g adien e de empe a u a alcanzada. Figu e 58, Imagen Pe ei a J. esis doc o al 2015, p. 147. Discusiones 64 7.3 Ca ac e ización ecnológica, icción y desgas e Coe icien e de icción Con el aumen o de la empe a u a aplicada, aumen a el coe icien e de ozamien o como se puede ap ecia en la abla 12, ap eciándose una endencia lineal pa a CoNiC AlY y el sus a o AISI 304, como se puede obse a en la igu a 49. La can idad de los óxidos p esen es a al a empe a u a, como se mues a en la igu a 50, o man una película que puede ac ua como capa in e media en la supe icie, lo que aumen a el coe icien e de icción. La o mación de la capa supe icial de óxido unciona como aspe eza en e el ecub imien o y la bola. Tabla 12, esumen de los esul ados ob enidos en los ensayos de icción HVOF y Lase cladding Pe ei a J. e al 2015. Tempe a u e (°C) CoNiC AlY NiCoC AlY Subs a e SS HVOF Lase C. HVOF Lase C. HVOF Lase C. 20 0,56 0,46 0,63 0,49 0,59 0,60 350 0,79 -- 0,91 -- 1,13 -- 500 1,01 1,00 0,50 0,45 1,43 0,49 Sin emba go, el coe icien e de icción del ecub imien o NiCoC AlY a al a empe a u a p esen a una bajada como es ap eciable en la abla 12, como cons a an Pe ei a J. e al. 2015, en su abajo de Lase cladding. Una supe icie alisada se obse a en la pis a a al a empe a u a pa a el ecub imien o NiCoC AlY ( igu a 64.d), en e a las supe icies de ugosidad en CoNiC AlY y Sus a o SS como se mues a en la misma igu a. Es a supe icie alisada, p incipalmen e de los óxidos de Ni educe la icción en e el ecub imien o y la bola, que en consecuencia disminui el coe icien e de icción. Un alo eseñable es el coe icien e de icción ob enido a 350oC en el NiCoC AlY, mos ando al ededo de es e alo , el pun o de in lexión, cambiando la endencia a inc emen a el coe icien e de icción a la ez que aumen a la empe a u a. Discusiones 65 Tasa de desgas e A empe a u a ambien e, el CoNiC AlY mues a la mayo asa de desgas e, el olumen eliminado y esiduos es impo an e, La igu a 63 mues a la supe icie de desgas e del CoNiC AlY después del ensayo a empe a u a ambien e. La al a de capas de óxido a empe a u a ambien e e i a la p o ección de la supe icie en e al desgas e. Figu e 59, Op ical mic oscope CoNiC AlY wea su aces a e oom empe a u e es x100 Al aumen a la empe a u a, disminuye la asa de desgas e especí ica, endiendo a alo es cons an es. Como se puede e en la igu a 51, po o o lado, el mecanismo de desgas e a al as empe a u as en e 350oC y 500oC ha cambiado del de la empe a u a ambien e. La igu a 60 mues a imágenes de e odispe sión de empe a u a ambien e y al a empe a u a, an o pa a las supe aleaciones como pa a el sus a o, donde se obse a la pa ición de óxidos con la empe a u a, siguiendo los abajos desc i os po S o F.H. 2002. Discusiones 66 Figu e 60, SEM mic oscopio (20KV BSE mode) mo ología de la supe icie de la pis a ; (a-b) CoNiC AlY; (c-d) NiCoC AlY; (e- ) Subs a e SS; (a-c-e) empe a u a ambien e; (b-d- ) al a empe a u a. Debido a la inespe ada asa de desgas e ob enida en el CoNiC AlY a empe a u a ambien e, se p ocede al análisis de la sección ans e sal de la pis a as el ensayo a empe a u a ambien e ( igu a 66), mos ando desp endimien o de las pa ículas al no es a bien anclados mecánicamen e ( igu a 66.a). T as el ensayo se obse a de o mación plás ica del ecub imien o ( igu a 66.c), debido a los lími es de o mes, escamas y po os p esen es en el ecub imien o, c eando una compac ación del mismo y aumen ando el olumen eliminado as el ensayo. El análisis median e mic oscopio óp ico de la sección ans e sal de los ecub imien os de e minó un ni el de po osidad po unidad de á ea de 23,3% pa a el ecub imien o NiCoC AlY y 14,5% pa a CoNiC AlY, siendo la po osidad un ac o de e minan e en la asa de desgas e, en cuan o a olumen eliminado as el ensayo Discusiones 67 Figu e 61. Pis a ecub imien o CoNiC AlY a empe a u a ambien e; (a) x500; (b) x1000; (c) x1500. Median e mic oscopía elec ónica de ba ido (SEM),se han analizado las pis a, mos ando a al a empe a u a (500oC) la p esencia de óxidos en las supe icies de la mismas, o mando una supe icie du a( igu a 66). La capa de óxido o mada "esmal e" [S o FH, 2002] es la causan e de la educción de las asas de desgas e especí ica. Todas las aleaciones de al a empe a u a son e modinámicamen e ines ables en el ai e y eaccionan con el oxígeno pa a o ma óxidos me álicos. Bajo condiciones no deslizan es, se basan en el desa ollo de una capa de óxido de c ecimien o len o pa a p opo ciona p o ección con a la oxidación adicional. Du an e el deslizamien o en e las piezas a al a empe a u a los esiduos de desgas e ob enidos pueden consis i en una mezcla de pa ículas de óxido y pa ículas me álicas pa cialmen e oxidadas. No siendo el caso a empe a u a ambien e. Figu e 62, SEM mic oscopio (20KV SE mode) sección ans e sal de la pis a x500 Discusiones 68 Basado en las obse aciones expe imen ales Jiang J. e al. 2004, la pa ícula de desgas e puede in lui en la caída de la asa de desgas e a al a empe a u a en a ias o mas, • Los esiduos de desgas e se pueden elimina po comple o de las supe icies de con ac o, lo que lle a a la pé dida de desgas e y no juega ningún papel pa a in lui en el p oceso de desgas e. • Los esiduos de desgas e pueden se e enidos inicialmen e, al mo e se lib emen e en e las supe icies, las pa ículas es án agmen adas a un amaño pequeño capaz de aglome a se en algunos luga es en pa icula en las anu as, pa a o ma capas compac as ela i amen e es ables. • Los es os son de amaño su icien emen e ino pa a se e enidas en e las supe icies de con ac o e inco po a como pa ículas sin mo imien o en el desa ollo compac as pa ículas capas sob e una o ambas supe icies. • Los esiduos de desgas e se compac an en e supe icies de con ac o, pueden se e enidos en mo imien o, c eando pa ículas lib emen e en e las supe icies de con ac o, que pueden ac ua como e ce cue po, causando daños po ab asión a ambas supe icies o puede queda inc us ado en una ac uación supe icial como de dos cue pos. La bola de Al2O3 en la igu a 67.a mues an el daño de la supe icie p oducido po los e es imien os CoNiC AlY ensayados a 350ºC y en la igu a 67.b , imagen de e odispe sión, mues a adhe encia del ecub imien o en la bola después de la p ueba de al a empe a u a, sugi iendo desga e po ab asión de esiduos de desgas e adhe idos a la bola. Bibliog a ía y Publicaciones 75 Hemke K.J., B.G. Mendis, C. Ebe l, 2007. Cha ac e iza ion o NiC AlY coa ings o high s eng h, high conduc i i y GRCop-84 cope alloy, Ac a Ma e ialia ol. 55, pp. 5103-5113, ISSN 1359-6454. Hemke K.J., B.G. Mendis, C. Ebe l, 2009. Cha ac e izing he mic os uc u e and mechanical beha io o a wo-phase NiCoC AlY bond coa o he mal ba ie sys ems, Ma e ials Science & Enginee ing ol. A, pp. 727-730, ISSN 0921-5093. Holmbe g, K., Ronkainen H., Laukkanen A., and Wallin K., 2007. F ic ion and wea o coa ed su aces-Scales, modelling and simula ion o ibomechanism, Su ace and Coa ing Technology, 12/15, ol 202. 4-7, pp. 1034-1049, ISSN 0257-8972. 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