Texturización superficial de aleaciones metálicas mediante láser

• Autores: Juan Ignacio Ahuir Torres
• Directores de la Tesis: Juan J. de Damborenea González (dir. tes.), María de los Ángeles Arenas Vara (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Solís Céspedes (presid.), José Manuel López Poyato (secret.), Jesús González Izquierdo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Electroquímica. Ciencia y Tecnología
• Materias:
  • Física
    • Química física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • La texturización superficial es una poderosa herramienta para conseguir modificaciones topográficas e incluso microestructurales que redundan en una mejora del comportamiento del material en condiciones de servicio. Existen diferentes métodos de texturización superficial basados en métodos químicos, físicos o mecánicos. De entre todas estas técnicas, el empleo de láseres ha irrumpido con fuerza para modificar las características superficiales de distintas clases de materiales sin cambiar sus propiedades másicas. Especialmente interesante es su aplicación sobre aleaciones metálicas, permitiendo mejorar sus propiedades tribológicas, mojabilidad o, incluso, de resistencia frente a la corrosión.

    La radiación láser destaca por su versatilidad en el tratamiento de materiales, rapidez en la generación de texturas, alta precisión a la hora de definir la morfología, topografía y geometría de las texturas así como la limpieza con la que se realizan las operaciones. Las características de las texturas vienen determinadas por la relación entre los parámetros láser y las propiedades físico-químicas de la aleación que se desea modificar. A pesar de que la texturización pueda realizarse con cualquier tipo de láseres, los de pulsos cortos o ultracortos presentan ventajas añadidas con respecto a los láseres de pulsos más largos. Por ejemplo, la eliminación de las zonas afectadas térmicamente o la creación de superficies limpias; esto es, de superficies libres del material fundido que se produce por efecto de la eyección del material tras el impacto del láser.

    En la presente tesis se estudia el efecto de generación de diferentes patrones de texturas sobre dos aleaciones de interés tecnológico como son la aleación de titanio Ti6Al4V y la de aluminio AA2024-T3. Estas aleaciones son ampliamente utilizadas en la industria aeronáutica por sus buenas propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión en medios agresivos y baja densidad. No obstante, ambas aleaciones exhiben baja resistencia al desgaste, por lo que suele ser necesario recurrir al empleo de métodos alternativos para mejorar sus propiedades tribológicas. Uno de estos métodos es la texturización superficial por láser (TSL).

    En la presente Tesis Doctoral se funcionalizaron las superficies de ambas aleaciones mediante patrones de texturas con el objetivo de mejorar las propiedades tribológicas y comprobar su efecto sobre otras propiedades superficiales como la mojabilidad o la resistencia a la corrosión.

    El tratamiento láser de ambas aleaciones se realizó mediante un láser pulsado de estado sólido de Nd:Vanadato (Nd:YVO4) con duración de pulso de 10 ps, operando con una longitud de onda de 1064 nm. Mediante una combinación adecuada de los parámetros de procesado se consiguieron generar tres tipos de patrones de texturas diferentes: cráteres, surcos cruzados y anillos concéntricos. Los impactos para la generación de cráteres se realizaron con energías por pulso comprendidas entre 1 μJ y 20 μJ, y con una variación de 10 a 200 pulsos por impacto a una frecuencia de 5 kHz. Los barridos y anillos se consiguieron con energías por pulso comprendidas entre 1 μJ y 10 μJ, a frecuencias de 10 kHz y con una velocidad de barrido entre 1.2 mm/s y 24 mm/s.

    La relación óptima de diámetro o anchura/profundidad conseguida en las diferentes texturas fue de 10. Además, sobre las superficies se consiguieron diferentes rangos de densidades de texturas: 5%-50% para los patrones de cráteres, 18% a 64% para los de surcos cruzados y entre el 7% y el 70% para los anillos concéntricos.

    Tras los tratamientos de texturización, las superficies se caracterizaron morfológicamente (geometría y topografía) y microestructuralmente mediante diferentes técnicas de análisis superficial (microscopía óptica, microscopía confocal y microscopía electrónica de barrido). Tanto en los cráteres como en los patrones se aprecia la generación de nanoestructuras periódicas tipo LIPSS en ambas aleaciones aunque principalmente en el titanio. En aluminio se forman, junto a los LIPSS, nanoestructuras aleatorias en las zonas de impacto.

    En relación a las propiedades de las nuevas superficies generadas, se evaluaron la mojabilidad, la resistencia al desgaste y su comportamiento frente a la corrosión. En el primer caso, la mojabilidad, el cambio más apreciable encontrado en las aleaciones de titanio fue el paso de tener una naturaleza hidrofílica a superhidrofílica. En cuanto al aluminio, la superficie cambió de hidrofílica a hidrofóbica.

    La resistencia a la corrosión de las probetas en medios agresivos se analizó mediante técnicas electroquímicas (curvas de polarización y espectroscopía de impedancia electroquímica). No se observaron cambios en el comportamiento electroquímico de la aleación de aluminio texturizada. Sin embargo, en la aleación de titanio, la técnica de EIS reveló que las probetas texturizadas con a mayor densidad de patrones mostraban un mecanismo de difusión en capa finita que puede relacionarse con las nanoestructuras generadas en la superficie tratada, siendo la primera vez que se pone de manifiesto dicha relación.

    Por último, se procedió a la evaluación tribológica de las muestras mediante ensayos del tipo “reciprocating sliding” tanto en seco como con MoS2 como lubricante sólido. La texturización incrementó considerablemente, en función del diseño empleado, la resistencia al desgaste de ambas aleaciones. Se confirma el efecto de reservorio de lubricante que ejercen las texturas, siendo éste mayor cuanto mayor es la densidad de patrones por unidad de área. De entre todos los patrones generados, los surcos cruzados al 64 % de densidad mostraron resultados muy prometedores aumentando considerablemente la lubricación efectiva.