Ablación láser de materiales inorgánicos y metálicos
- Autores: Ruth Lahoz Espinosa
- Directores de la Tesis: Xermán Francisco de la Fuente Leis (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2006
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
RESUMEN El gran interés que despierta la modificación superficial y la funcionalización de materiales, con objeto de mejorar substancialmente sus propiedades, ha generado una importante necesidad de desarrollar distintas técnicas que resulten efectivas para llevar a cabo estas modificaciones. En los últimos años, la ablación láser se está presentando como una herramienta muy útil para realizar este tipo de trabajos. La ablación láser presenta muchas ventajas, al ser una técnica altamente precisa y controlable además de versátil. También permite la utilización de distintas atmósferas de trabajo que pueden ser muy interesantes para conseguir las modificaciones deseadas en composiciones o propiedades del material.
En este trabajo se pretende realizar un estudio de la modificación superficial con láser de distintos materiales inorgánicos: metales (titanio, acero), cerámicas heterogéneas (gres comercial) y rocas (arenisca, caliza). Se investigará la modificación de las superficies por la acción del tratamiento láser con la finalidad de evaluar y optimizar los parámetros del proceso relacionados con cada material y su aplicación funcional. Con este objetivo se abordarán los siguientes tratamientos: • Modificación superficial y mecanizado de metales. El objetivo es modificar la morfología, química de superficie y propiedades ópticas de metales de alto interés tecnológico como el titanio y el acero.
• Mecanizado y decoración de cerámicas y materiales pétreos. El objetivo en este caso es el mecanizado y la modificación de las propiedades ópticas de las cerámicas y las rocas ornamentales para aplicaciones decorativas.
• Descontaminación de superficies-ladrillo mudéjar y rocas ornamentales. Limpieza mediante ablación láser de paramento arquitectónico de interés histórico-artístico.
JUSTIFICACIÓN Los mecanismos básicos de interacción entre la radiación láser y la materia pueden ser fototérmicos y/o fotoquímicos.
Por este motivo hay que distinguir dos vías de actuación en cuanto a la forma de aplicar la energía procedente del láser. En el caso del micromecanizado o la modificación superficial severa, se aprovecha el potencial calorífico de la radiación infrarroja del láser, para eliminar material, en el caso del mecanizado, o realizar tratamientos térmicos (sinterización, temple, nitruración, etc.) e incluso fusión superficial. Para ello se utilizan láseres con anchuras de pulso elevadas. Cuando se trata de la limpieza de materiales delicados (en este caso, patrimonio artístico y cultural), es necesario que la radiación láser sea emitida con longitudes de pulso muy cortas, con objeto de reducir la transferencia térmica al material y conseguir así que el proceso esté fuertemente dominado por efectos fotoquímicos dependientes de la longitud de onda de emisión láser. El mecanismo dominante implicaría la sublimación directa de las sustancias presentes en la superficie del material, en un proceso eminentemente “frío”. Eliminar el efecto fototérmico es un objetivo prioritario, con la idea de evitar daños irreversibles al material sustrato por exceso de calor generado.
Una vez definido el proceso de ablación, la variable más importante a caracterizar y optimizar es, sin duda, la profundidad de escarbado obtenida con la interacción láser. Esto conlleva realizar un estudio sistemático de todos los parámetros que intervienen en el proceso ablativo. Estos parámetros, en cuanto a la relación tecnológica interacción-equipo son: los relativos a consumo energético (Intensidad de excitación), las velocidades de barrido (Superficie tratada por unidad de tiempo) y las frecuencias de repetición (Frecuencia en modo pulsado).
CONTEXTO EXPERIMENTAL Este trabajo pretende contribuir al conocimiento de la interacción láser-materia, desde la óptica de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, particularmente considerando las transformaciones y modificaciones microestructurales inducidas por la irradiación de superficies con láseres de ámbito industrial. En éste sentido, y aunque la gama de materiales estudiada es, desde un punto de vista estrictamente purista, muy amplia, el objetivo principal del trabajo es contribuir a una mayor aproximación a la unificación de conceptos que, hoy en día, están muy dispersos en el campo de la ablación láser de materiales.
El tema central del trabajo descrito en esta memoria es la ablación láser de materiales inorgánicos, específicamente de metálicos, cerámicos y pétreos.
En la introducción, se hace una revisión de la fenomenología implicada en la ablación láser de materiales y se analizan las aplicaciones principales de la ablación láser, especialmente aquellas ligadas al trabajo experimental presentado en esta memoria.
El segundo capítulo resume el trabajo realizado en metales. La primera parte se centra en estudios de ablación de Ti, realizados in-situ, tanto en vacío, como en diversas atmósferas, para luego analizar la composición de la superficie resultante por XPS. Ya que no existen estudios previos en la literatura en condiciones similares, el presente trabajo permite deducir el nivel de descontaminación conseguido mediante la técnica de ablación láser. Así mismo, la técnica permite conocer la reactividad de la superficie del Ti en presencia de sustancias reactivas de N2, O2, H2 y aire, sin haber expuesto previamente la muestra a las condiciones degradantes de la atmósfera.
En la segunda parte del capítulo 2 se desarrolla un método de mecanizado de acero como soporte estructural de membranas zeolíticas.
El capítulo 3 muestra los desarrollos de nuevos elementos de decoración de alta definición obtenidos por ablación láser de cerámicas y vidrios comerciales, así como de materiales pétreos. Industrialmente se demuestra, por primera vez, la utilidad del láser en aplicaciones decorativas de bajorrelieve de alta definición. Además, en vidrio comercial la ablación permite modificar las características eléctricas de la superficie con ratios industriales manteniendo la calidad óptica del vidrio.
En el capítulo 4 se estudia la interacción del láser con materiales de interés artístico. Se demuestra, por primera vez, el uso del láser en la descontaminación del ladrillo mudéjar y en rocas graníticas contaminadas por graffiti. Estudiando los efectos de los parámetros en los cambios producidos en la composición química, mineralógica, morfológica y.
Finalmente, en el capítulo 5 se resumen algunas de las aplicaciones más relevantes derivadas de los trabajos realizados en esta tesis. La primera aplicación trata del crecimiento de zeolitas sobre las láminas de acero obtenidas en el capítulo 2, con objeto de obtener membranas zeolíticas de intercambio, hecho demostrado en una publicación científica y en la solicitud de una patente de invención. La fabricación in-situ de microcircuitos eléctricos sobre vidrio de ventana comercial, funcionalizado con capas de óxidos, es objeto de la segunda aplicación relatada en el capítulo. La tercera aplicación descrita corresponde al desarrollo y demostración industrial de un método para la decoración de baldosas cerámicas basado en la utilización conjunta de ablación y fusión inducida por láser. Los productos obtenidos por esta técnica merecieron el premio a la Innovación Industrial, otorgado a la empresa Esmaltes, S. A., de L’Alcora (Castellón) en la edición de CEVISAMA 2003 y están actualmente expuestos en el Museo del Azulejo de Onda. La última aplicación descrita en el capítulo corresponde al desarrollo y aplicación de un sistema de limpieza portátil por láser, basado en los resultados del capítulo 4 y demostrado con éxito en la Catedral de Tarazona, para la limpieza del paramento de ladrillo mudéjar.
CONCLUSIONES En esta sección se resumen las conclusiones generales a las que se ha llegado tras los diversos trabajos realizados en esta tesis.
En los procesos de descontaminación de metales mediante ablación láser, se ha demostrado que no puede conseguirse una limpieza prístina de las superficies, incluso en condiciones de alto vacío. La presencia de oxígeno favorece la limpieza de contaminantes de carbono.
También se ha demostrado la nitruración de la superficie del Ti irradiando en atmósferas controladas de N2 y sin realizar ningún tipo de preparación superficial previo.
La perforación de láminas de acero inoxidable mediante ablación láser con un sistema de movimiento galvanométrico, ha permitido obtener, bajo diseño y con alta precisión, soportes para membranas zeolíticas de intercambio.
Se ha desarrollado una gama de elementos de decoración bajorrelieve en cerámica industrial, basada en un proceso de mecanizado por ablación similar al desarrollado para los metales.
En la misma línea, se han desarrollado también elementos decorativos mediante marcaje y grabado por láser sobre substratos de roca ornamental.
Se ha desarrollado una técnica de fabricación “in situ” mediante ablación, de circuitos eléctricos mecanizando recubrimientos conductores sobre vidrio común para aplicaciones novedosas en iluminación y señalética.
Se ha desarrollado una técnica de alto rendimiento para la descontaminación de superficies por ablación láser y se ha demostrado su efectividad para la limpieza de fábrica de ladrillo mudéjar y de roca ornamental en paramento arquitectónico.
Muchos de los resultados obtenidos en esta tesis han permitido el desarrollo de diversas aplicaciones de interés industrial en el sector cerámico y del vidrio, así como en la restauración de patrimonio, y además, han abierto nuevas tendencias de desarrollo en otros sectores de la técnica.
BIBLIOGRAFÍA 1.- H. G. Rubahn. Laser Applications in Surface Science And Technology. John Wiley & Sons. Göttingen 1998.
3.- ‘Nd:YAG laser with wavelengths from IR to UV (, 2, 3, 4) and corresponding applications in conservation of various artworks’. Jens Hildenhagen, Klaus Dickmann. Journal of Cultural Heritage 4 (2003), 174s–178s.
4.- ‘Preliminary studies of material surface cleaning with a multi-pulse passively Q-switched Nd:YAG laser’. Constantin Fenic, Razvan Dabu, Aurel Stratan, Constantin Blanaru, Constantin Ungureanu and Catalin Luculescu. Optics & Laser Technology 36 (2004) 125-130.
5.- ‘Cleaning graffitis on urban buildings by use of second and third harmonic wavelength of a Nd:YAG laser: a comparative study’. A. Costela, I. García-Moreno, C. Gómez, O. Caballero, R. Sastre. Applied Surface Science 9559 (2002), 1–14.
6.- ‘Application limits of Q-switched Nd:YAG laser irradiation for stone cleaning based on colour measurements’. R. M. Esbert, C. M. Grossi, A. Rojo, F. J. Alonso, M. Montoto, J. Ordaz, M. C. Pérez de Andrés, C. Escudero, M. Barrera, E. Sebastián et al. Journal of Cultural Heritage 4 (2003) 50-55.
8.- ‘Assessment of laser cleaning rate on limestones and sandstones’. Martin Labouré, Philippe Bromblet, Geneviève Orial, Günter Wiedemann and Christophe Simon-Boisson. Journal of Cultural Heritage 1 (2000), S21-S27.
9.- Bäuerle D. Laser Processing and Chemistry. Springer. Berlin, 1996; 10.- ‘The laser ablation/desorption process used as a new method for cleaning treatment of low carbon steel sheets’. P. E. Lafargue, N. Chaoui, E. Millon, J. F. Muller, H. Derule, A. Popadenec. Surface and Coatings Technology 106 (1998) 268-276.
