ESTUDIO Y ANALISIS DE UN RECUBRIMIENTO...

ESTUDIO Y ANALISIS DE UN RECUBRIMIENTO CERAMICO PARA LA APLICABILIDAD EN ALABES DE TURBINAS DE ALTA PRESIÓN EN

MOTORES A REACCION

SANDRA MILENA OSPINO MARTINEZ JHON HENRY TORRES LOPEZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA AERONAUTICA

BOGOTÁ D.C 2005

ESTUDIO Y ANALISIS DE UN RECUBRIMIENTO CERAMICO PARA LA APLICABILIDAD EN ALABES DE TURBINAS DE ALTA PRESIÓN EN

MOTORES A REACCION

SANDRA MILENA OSPINO MARTINEZ JHON HENRY TORRES LOPEZ

Trabajo de Grado para Optar al Titulo de

Ingeniero Aeronáutico

Director

FERNANDO COLMENARES INGENIERO MAGISTER AERONAUTICO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA PORGRAMA AERONAUTICA

BOGOTÁ D.C

2005

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NOTA DE ACEPTACION:

FIRMA DEL JURADO

FIRMA DEL JURADO

FIRMA DEL JURADO

FIRMA ASESOR METODOLÓGICO

BOGOTÁ D.C. DICIEMBRE DE 2005

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AGRADECIMIENTOS

Expresamos nuestros agradecimientos mas significativos en primer medida al

profesor Alfonso Devia Cubillos, Ph.D en Ciencias Físicas de la Universidad

Nacional de Manizales y director de los laboratorios de física del plasma, por su

inmensa colaboración, atención y asesoria en el desarrollo y facilitación de este

proyecto, sin la cual hubiese sido imposible culminar esta investigación.

También a la ayuda de la ingeniería Clara Gloyes, miembro del grupo de óptica

cuántica de la Universidad del Valle, la cuál nos brindo todo su conocimiento en el

área de nuevas tecnologías cerámicas y apoyo durante los comienzos del

proceso.

Al Rector de nuestra universidad, Fr. Fernando Garzón Ramírez (OFM) por creer

en la investigación San Buenaventuriana y en nosotros. Así mismo al Ingeniero

Luís Savala, docente de la Universidad de San Buenaventura por su atención en

el Instituto Técnico Central.

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DEDICATORIAS

Dedico esta investigación a todos mis familiares, en especial a mis tíos Héctor José Torres Acosta y Gonzalo Torres Acosta, los cuales sustentaron económicamente mi carrera de ingeniero, creyendo en mis capacidades, añadiendo el cariño y apoyo incondicional que me han brindado en todos los sentidos antes y después de comenzar con esta carrera.

Jhon Henry Torres López

No solamente este proyecto, mi carrera o esta etapa ya cumplida, este y todos los triunfos que tendré en mi vida serán para los dos seres que mas amo en el mundo mi madre y mi padre, quienes toda su vida han luchado para ser quien soy. Mami, Papi espero que a partir de este momento sus días solo sean llenos de felicidad porque aquí empiezo a recorrer el verdadero camino de la vida.

Sandra Milena Ospino Martínez

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TABLA DE CONTENIDO

TEMA pág

ABREVIATURAS Y DEFINICIONES 9 ABREVIATURAS 9 DEFICIONES 9

TITULO DEL PROYECTO DE GRADO 14

INTRODUCCION 15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16

1.1. ANTECEDENTES 16

1.2 DESCRIPCION Y FORMULACION DEL PROBLEMA 16

1.3 JUSTIFICACION 17

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 18 1.4.1 Objetivo general 18 1.4.2 Objetivos específicos 18

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 18 1.5.1 Alcances 18 1.5.2 Limitación 19

2. MARCO DE REFERENCIA 20

2.1 MARCO CONCEPTUAL 20 2.1.1 Películas Cerámicas. 20 2.1.2 Tratamientos superficiales. 20 2.1.3 Deposición química de vapores (CVD) y deposición química de vapores activado por plasma (PACVD). 21 2.1.4 Deposición física de vapores (PVD). 23

2.1.4.1 Técnicas de deposición. 24 2.1.4.1.1 Pulverización catódica o sputtering. 24 2.1.4.1.2 Evaporización por arco catódico. 24

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2.1.4.1.3 Arco pulsado 25 2.1.5 Adherencia. 26 2.1.6 Dureza. 26 2.1.7 Especificaciones de los recubrimientos. 27 2.1.8 Procedimientos para la eliminación de defectos superficiales. 34 2.1.9 Parámetros de control en la deposición. 34 2.1.10 Control de limpiezas superficiales. 35 2.1.11 Control de la estructura. 35 2.1.12 Control de la interfase. 36 2.1.13 Técnicas de caracterización y deposición 37

2.1.13.1 Técnicas de caracterización. 37 2.1.13.1.1 Técnicas de microscopia electrónica (AFM). 38 2.1.13.1.2 Difracción de rayos x. 39 2.1.13.1.3 SEM. Scannig Electronic Microscope. 41 2.1.13.1.4 XPS. X-ray Photoelectron Spectroscopy. 42

3. METODOLOGIA 43

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION 43

3.2 LINEA DE LA INVESTIGACION DE U.S.B / SUBLINEA DE FACULTAD/ CAMPO TEMATICO DEL PROGRAMA 43

3.3 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 43

3.4 POBLACION Y MUESTRA 44

3.5 HIPOTESIS 44

4. PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS 45

4.1 DETALLES EXPERIMENTALES 45 4.1.1 Preparación del sustrato. 45 4.1.2 Procedimientos De Control. 46

4.2 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE PROBETAS H-13. 46 4.2.1 Difracción De Rayos X. 47 4.2.2 AFM. 48 4.2.3 Análisis químico por SEM. 52

4.3 PRUEBA DE NANOINDENTACION REALIZADA EN EQUIPO AFM 55

4.4 PROCESO DE DEPOSICION (TiAlV)N 57

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4.4.1 Equipo seleccionado para la deposición. 59

4.5 CARACTERIZACION DE LA DEPOSICION DE (TiAlV)N 62 4.5.1 Análisis por SEM 62

4.5.1.1 Resultados de caracterización con la primera probeta. 62 4.5.1.2 Resultados de caracterización con la segunda probeta. 64 4.5.1.3 Resultados de caracterización con la tercera probeta. 66

4.5.2 CARACTERIZACION POR AFM 68 4.5.2.1 Caracterización de la primera probeta. 68 4.5.2.2 Caracterización de la segunda probeta. 74 4.5.2.3 Caracterización de la tercera probeta. 79

4.6 ANALISIS POR XRD 82

4.7 PRUEBA DE NANODUREZA PARA EL (TiALV)N 84

4.8 ANALISIS DE POROSIDAD 85 4.8.1 Porosidad del sustrato. 85 4.8.2 Porosidad de la primera probeta con (TiAlV)N. 86 4.8.2 Porosidad de la segunda probeta con (TiAlV)N. 88 4.8.2 Porosidad de la tercer probeta con (TiAlV)N. 89

5. CONCLUSIONES 92

6. RECOMENDACIONES 95

BIBLIOGRAFIA 96

ANEXOS 97

8

ABREVIATURAS Y DEFINICIONES

ABREVIATURAS AFM: Microscopia de fuerza atómica. BC: CVD: Deposición química de vapores.

dF/da: Derivada de la fuerza respecto a la derivada de la distancia.

Gpa: Giga pascales. PACVD: Deposición química de vapores asistida por plasma. PAPVD: Deposición física de vapores asistida por plasma.

PVD: Deposición física de vapores. SEM: Microscopia electrónica de barrido. SD: Solidificación Direccionada. TBC: Barrera Térmica. TS: Temperatura del Sustrato. Tm: Temperatura del Material Depositado. XPS: Espectroscopio foto electrónico de rayos x. (TiAlV): Nitruro de Titanio Aluminio Vanadio. DEFICIONES Adherencia: Característica que tienen los materiales para unirse con otros sean o

no de la misma estructura. Anisotropía: Características de un material que es capaz de existir con mas de

una estructura cristalina, dependiendo de la temperatura y de la presión.

Ánodo: Material de aporte en un sistema de arco pulsado.

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Blanco: Material de aporte . Caracterización: Análisis de las propiedades de un material.

Cátodo: Es el sustrato en un sistema de arco pulsado.

Conductividad Térmica: Medida de la rapidez a la cual se trasfiere calor a través

de un material.

Deformación plástica: Alteración permanente de un material al aplicársele una

carga y después quitarla. Difracción: Interferencia constructiva, o refuerzo, de un haz de rayos X que

interactúa con un material. El haz difractado proporciona una información útil en

relación con la estructura cristalina del material.

Difusión: Movimiento de los átomos en un material. Distancia interplanar: Separación entre dos planos paralelos adyacentes con los

mismos índices de Millar.

Dureza: Dureza la resistencia que presenta un cuerpo a la penetración

por otro.

Energía de unión: Energía requerida para separar dos átomos de su

espaciamiento de equilibrio a una distancia alejada infinito. Enlace: Enlazamiento de los átomos que se unen formando sólidos.

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Espaciamiento interatómico: Es la distancia de equilibrio entre átomos que se

debe a un equilibrio entre fuerzas de repulsión y de atracción, es igual al diámetro

aparente del átomo.

Estructura Cristalina: Arreglo regular repetible de los átomos en un material. Fatiga térmica: Daño producido en un material debido a ciclos debido a cambios

de temperatura.

Fusión: Paso de un cuerpo del estado sólido al estado líquido Galvanizado: Recubrimiento de hierro o acero con una capa de zinc como

protección a la corrosión. Gas inerte: Es un gas no reactivo bajo unas determinadas condiciones de trabajo.

Indentación: Método para hallar la nanodureza de un material donde se hace

penetrar la superficie de este con una punta de diamante. Índices de Millar: Expresión abreviada para describir ciertas direcciones y planos

cristalográficos en un material.

Ionización: Formación de moléculas o átomos con carga eléctrica.

Limpieza Química por Etching: proceso fisicoquímico activado por plasma, para

eliminar contaminantes gaseosos absorbidos o capas de oxido.

Método Glow: Calentamiento del sustrato activado por plasma en una atmósfera

de Argón.

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Modulo de Elasticidad: Grado de deformación de un material cuando se le aplica

una fuerza o un esfuerza. Un material con un modulo de elasticidad alto

experimenta muy poca deformación, incluso en el caso de fuerzas elevadas.

Morfología: Configuración física y el tamaño de un material.

Nitruración: Endurecimiento de la superficie de un acero mediante nitrógeno

obtenido a partir de una atmósfera especial de gas.

Parámetro de red: Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos

entre estos lados. Los parámetros de red describen el tamaño y forma de la celda

unitaria.

Plasma: Gas parcialmente ionizado compuesto principalmente de electrones,

iones (cationes) libres y partículas neutras en el que los electrones de los orbitales

externos se han separado del átomo. Porosidad: Defecto superficial que facilita el paso de los gases y otros fluidos.

Presión: Fuerza por unidad de superficie.

Recubrimientos: Tratamiento superficial para mejorar las propiedades de los

materiales. Sustrato: Material base donde se realiza la deposición del recubrimiento.

Tensión: La tensión es una Fuerza aplicada en un cuerpo que le produce una

extensión al material.

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Termodinámica: Parte de la física que estudia la energía, la transformación entre

sus distintas manifestaciones, como el calor, y de su capacidad para producir un

trabajo.

Termofluencia: Deformación plástica a alta temperatura.

Termoplástico: Grupo especial de polímeros que son fácilmente conformados, en

formas útiles. Torr: Unidad de presión definida como la presión ejercida por una columna de un

milímetro de mercurio (mmHg). Torsión: Fuerza torsional giratoria.

13

TITULO DEL PROYECTO DE GRADO Estudio y análisis de un recubrimiento cerámico para la aplicabilidad en alabes de

turbinas de alta presión en motores a reacción.

14

INTRODUCCION

El análisis y estudio de recubrimientos cerámicos pretende la aplicabilidad en la

sección caliente de un motor a reacción en alabes de turbinas de alta presión.

Este estudio es necesario dado que en la actualidad se viene incrementando en

los distintos diseños de motores a reacción las exigencias de operación en zonas

como la turbina de alta presión la cual esta cada vez mas sometido a mayores

parámetros de operación de temperatura, con lo cual se hace indispensable

obtener un análisis que ofrezca una factibilidad al momento de la elección de

recubrimientos cerámicos para esta sección, para así obtener mejores

características físicas, mecánicas y de resistencia del alabe de rotor de turbina.

Este estudio se centrará en el análisis de las propiedades y ventajas de un nuevo

recubrimiento cerámico y su aplicabilidad en alabes de turbina de alta presión,

para así buscar mejorar los requerimientos de operación.

Para realizar este estudio se tomará como apoyo diferentes textos enfatizados en

estudios o análisis que aborden el tema especificado anteriormente, así también

recursos humanos y tecnológicos que se encuentren disponibles en el tiempo de

investigación.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1. ANTECEDENTES Actualmente no hay fuentes de información acerca del recubrimiento a estudio, por

lo tanto todos los datos que se encuentren en este proyecto han sido gracias a

resultados experimentales obtenidos durante la deposición y caracterización del

Nitruro de Titanio Aluminio Vanadio; de esta manera el presente proyecto

constituye la primer base de datos a referenciar.

El tipo de trabajo efectuado a pesar de tener bajo sus líneas de titulo “Estudio y

Análisis” es un aporte científico e investigativo en el área de nuevas tecnologías

cerámicas que se vienen trabajando en el mundo para la industria, en las que se

encuentran constructoras de motores a reacción , o estudios para aplicaciones

aeroespaciales como los realizados por la NASA en aplicaciones estructurales,

donde otros materiales no cumplirían con las expectativas de operación, ya que

las nuevas tecnologías cerámicas poseen características únicas y excepcionales

que los hace irreemplazables hasta el momento.

1.2 DESCRIPCION Y FORMULACION DEL PROBLEMA El estudio de materiales en las secciones de un motor a reacción siempre ha sido

motivo de investigación científica aeronáutica para mejorar sus características de

operación. En este estudio e investigaciones de los materiales se han notado que

la parte a la que mas se someten esfuerzos térmicos en un motor a reacción (que

ocasionan fatiga térmica, fluencia, y características mecánicas de rotura,

sumadas a fuerzas y vibraciones) es la sección de la turbina de alta presión y en

mayor medida sus alabes (que son importantes a la hora de poder avanzar en

tecnología). Es decir que el estudio de materiales en los alabes de rotor de turbina

es un estudio que es proporcional al avance tecnológico de operación del motor;

ya que en los motores de nueva generación, se ha tratado de aumentar las

temperaturas de operación, que mejoran ciertas características del motor a

reacción, con nuevos materiales aplicando recubrimientos cerámicos.

Esto hace necesario un análisis e investigación en los materiales utilizados para el

recubrimiento cerámico para así conocer el comportamiento bajo ciertas

condiciones de operación en los alabes de turbina de alta presión.

Con la anterior descripción del problema tendríamos que la formulación seria la

siguiente: ¿Cómo realizar una investigación sobre un recubrimiento cerámico

aplicable a alabes de turbina de alta presión?.

1.3 JUSTIFICACION

Brindar un estudio que facilite el análisis de un recubrimiento cerámico y mediante

este estudio conocer las características del mismo, esto aplicará al momento de la

elección del material para los diseñadores o constructores si es el caso de esta

zona de turbina de alta presión, dando un análisis de si es o no factible ciertos

recubrimientos cerámicos que responden a expectativas de operación del motor y

pueden llegar a mejorar procesos del mismo. Lo anterior beneficia al campo

aeronáutico al aclarar por medio de este estudio la aplicabilidad de cierto

recubrimiento y sus ventajas.

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1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 1.4.1 Objetivo general

Analizar por medio de un estudio la aplicabilidad de un recubrimiento cerámico en

alabes de rotor de turbina de alta presión para mejorar los parámetros de

operación en un motor a reacción

1.4.2 Objetivos específicos

• Analizar las propiedades y características del recubrimiento cerámico a

estudio.

• Realizar un estudio de las principales propiedades mecánicas antes y después

de realizar la deposición del recubrimiento.

• Determinar la viabilidad del recubrimiento cerámico en un alabe de turbina de

alta presión.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1 Alcances

• Se abordarán los distintos factores físico-mecánicos de los recubrimientos

cerámicos que se han de recopilar para el estudio de estos.

• Se analizarán con los recursos tecnológicos la aplicabilidad de estos,

únicamente en las zonas de los alabes de la turbina de alta presión.

• Su interacción con los demás elementos como discos, soportes, sellos serán de

influencia (dado que estos son uniones del alabe de la turbina de alta presión) en

el estudio, sin embargo estos no serán abordados dada la extensión de su

investigación.

• El estudio se centrará en el recubrimiento cerámico, y en las característica

18

ya antes mencionadas al momento de operación del alabe de la HPT, sin

embargo no se tendrán en cuenta características de diseño y morfología del alabe,

que otorga otras características añadidas de operación aparte.

• El estudio se centrará en las características del recubrimiento a la resistencia

a los esfuerzos, también a las características de rotura y fluencia del mismo, en el

alabe de la turbina de alta presión.

• Se ejecutarán pruebas (si los recursos financieros son disponibles, y si las

limitaciones no son un obstáculo) del recubrimiento en probetas, para demostrar

una conclusión en el estudio de factibilidad, si se es muy necesario.

• Los estudios de esfuerzos y características se ejecutarán bajo software.

• No se ejecutarán construcciones físicas de los alabes para demostraciones de

resistencia.

• Los posibles datos establecidos por el fabricante o tablas de características

específicas y generalidades del material son las que se tendrán en cuenta al

momento del análisis del material. El proyecto no explicará su proceso de

fabricación o al mismo tiempo como se logro obtener su estructura atómica. El

proyecto se centrará solamente en la aplicación de estos para un estudio con

ciertos parámetros de exigencia para mejorar las características de resistencia-

físicas de los alabes de turbina de alta presión de un motor a reacción. 1.5.2 Limitación

• El costo de ciertos procesos de investigación, para medir procesos

determinados como esfuerzos, tratamientos térmicos, en maquinarias

especializadas estará limitada por el costo presupuestado por los recursos

financieros.

19

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO CONCEPTUAL 2.1.1 Películas Cerámicas. Debido al desarrollo de la tecnología se puede observar los grandes avances que

se han realizado en el área de las películas cerámicas (barreras térmicas), estos

tienen diversas aplicaciones como mecanismos electrónicos y ópticos, mejora de

herramientas cortantes, usos arquitectónicos, en automotores y claro esta en

aeronáutica como en secciones calientes de motores a reacción; algunas de

estas aplicaciones requieren asociar materiales inorgánicos y no metálicos con

materiales cerámicos.

Las propiedades físicas de los cerámicos se derivan de su tipo de enlace,

distintivamente los cerámicos son compuestos con enlaces que son

principalmente de tipo iónico

2.1.2 Tratamientos superficiales. Actualmente en el campo de los materiales existen una gran cantidad de

tratamientos superficiales, con ello se logra mejorar las propiedades, dependiendo

de su composición química y el espesor de la capa depositada por cada tipo de

tratamiento, además la aplicación de un recubrimiento sobre un sustrato permite

manipular las propiedades de la capa y del material base.

A través de la historia se han venido utilizando diferentes métodos para modificar

las superficies de los materiales, como han sido el galvanizado, metalizado,

niquelado hasta la deposición de capaz finas. Actualmente el método mas utilizado

20

para modificación de las superficies son las capas finas, las cuales se depositan al

sustrato mediante diferentes técnicas que se explican a continuación.

Las técnicas que hoy en día se están utilizando con mayor fuerza son las

denominadas deposiciones físicas en fase vapor (PVD), deposiciones químicas en

fase de vapor (CVD) y ambas deposiciones asistidas por plasma (PAPVD y

PACVD), estas dos ultimas son las que mas se utilizan en la industria.

En el desarrollo del proyecto se usará la técnica PAPVD como método de

deposición de capas finas.

2.1.3 Deposición química de vapores (CVD) y deposición química de vapores activado por plasma (PACVD). Los precursores metálicos en las técnicas CVD son compuestos líquidos o

gaseosos que se evaporan fácilmente. Estos compuestos con la temperatura del

proceso se descomponen muy fácil, y su formación se produce por las reacciones

de los compuestos gaseosos (introducidos en el reactor). Bajo una selección

apropiada de las condiciones de depósito se puede obtener materiales sólidos

mediante reacciones químicas; si introducimos las cantidades adecuadas en el

reactor se pueden presentar diferentes tipos de reacciones como:

• Reducción

• Oxidación

• Formación de compuestos

La temperatura del proceso en la cual se logran las reacciones están entre los 150

a 2200 ºC , en una presión que va desde los 0.5 Torr hasta 760 torr (equivalente a

21

66,5 y 101080 pascales respectivamente) cualquier gas o vapor puede ser usado

como material base.

Una de las grandes ventajas de esta técnica es que cuando se usa a temperaturas

elevadas se logra una mayor adhesión entre el sustrato y el recubrimiento

Las reacciones en este tipo de proceso se hacen dentro de un reactor, donde se le

da la forma a la película delgada y los subproductos de la reacción se evacuan

hacia el exterior

Figura 1. Representación de un proceso cvd

ACTIVACION GASES: termica plasma fotones

REACCION

SUBSTRATORECUBRIMIENTO

GASESSUBPRODUCTOS(SISTEMA DE VACIO)

Fuente. KAWABE, Takaya. Procesamiento de materiales por plasma. Agencia de cooperación

internacional del Japón (JICA).

Las técnicas PACVD, tienen los mismos principios de la técnica anterior pero es

activado por plasma, aquí también se usan precursores gaseosos que se

descomponen por la activación de un plasma generado sobre las piezas a cubrir.

El plasma ioniza los compuestos y activa las reacciones que tienen lugar en el

proceso a temperaturas moderadas, este proceso se realiza en una temperatura

22

entre los 300 y 1100 ºC. Los compuestos obtenidos son similares a los obtenidos

mediante la técnica CVD, sin embargo esta técnica se distingue por la facilidad

para realizar tratamientos termoquímicos de nitruración iónica previa al

recubrimiento cerámico en una sola etapa del recubrimiento por lo que es pionera

en tratamientos.

2.1.4 Deposición física de vapores (PVD). Esta deposición se define como la condensación de elementos o compuestos de

la fase de vapor a fase sólida, donde el material del recubrimiento es transportado

hacia la superficie del sustrato en forma de iones, átomos y moléculas.

Las técnicas PVD y PAPVD poseen diferentes métodos que consisten,

genéricamente, en evaporar un metal puro, una aleación o una mezcla, para la

formación de películas no volátiles por medio de reacciones físicas y depositarlas

sobre la pieza a recubrir.

La deposición puede ser producida en una atmósfera reactiva (generalmente

nitrógeno) o inerte (generalmente Argon) y es importante que el sustrato mantenga

una temperatura para incrementar la adherencia. El proceso puede ser activado

por plasma PAPVD para incrementar la velocidad de crecimiento y mejorar las

propiedades de la capa depositada. En la técnica PVD surgen diferentes métodos

para realizar la evaporación (esta evaporación se realiza en una cámara de vacío,

a una presión adecuada, donde se lleva al material hasta una temperatura

necesaria para evaporarlo; todas las partículas evaporadas se van a condensar

sobre la superficie del material) y estos dependen de cómo se evapora el

material.

23

2.1.4.1 Técnicas de deposición. Los tipos de deposición que se pueden ejecutar están basados en las técnicas

PVD (Deposición Física de Vapores), las cuales son:

• PULVERIZACION CATODICA O SPUTTERING

• EVAPORIZACION POR ARCO CATODICO

• ARCO PULSADO 2.1.4.1.1 Pulverización catódica o sputtering. En la pulverización catódica se involucra la vaporización física de átomos,

desprendidos de una superficie sólida, mediante un momento transferido desde el

bombardeo de partículas energéticas hacia la superficie. Las partículas

energizadas son iones de un material gaseoso acelerados en un campo eléctrico.

2.1.4.1.2 Evaporización por arco catódico. En esta técnica se evapora y se obtienen iones de metal, cuando se produce un

arco voltaico que se genera sobre la superficie del material al que llamamos

cátodo. Este método genera una gran densidad de iones, de esta manera

podemos tener buenos espesores de capa y en tiempos reducidos, además de

posibilitar la evaporación simultanea de distintos metales e introducir

alternadamente distintos gases reactivos. Este método de evaporación por arco

catódico se caracteriza por la alta proporción de ionización, alta rata de

deposición, flexibilidad de la preparación del blanco que puede tener

simultáneamente mas de un cátodo.

Las características más importantes de los recubrimientos PVD: dureza,

adherencia, color y brillo, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste,

resistencia a la oxidación, biocompatibilidad, entre otras.

24

Como ya hemos mencionado anteriormente los recubrimientos que se realizan por

estas técnicas mejoran las características de los materiales, usando cualquier

método, lo cual depende de la aplicación que se le dará al material.

2.1.4.1.3 Arco pulsado El equipo (ver figura 2) se componen de una cámara de vació donde se realiza la

deposición del material cerámico al sustrato. El arreglo de la cámara es modular y

puede variarse la posición del porta muestras, además del número de

evaporadores.

El porta muestras tiene forma de árbol para poder introducir piezas de diferente

morfología. En la cámara se aloja el sistema de medición de espesores

permitiendo monitorear la tasa de crecimiento de las películas, también un sistema

de calefacción que eleva la temperatura de los sustratos hasta en 500OC.

La presión del sistema puede llegar a mbar, presión que es realizada por

una bomba mecánica y una bomba difusora, las piezas a recubrir se ubican en el

árbol porta muestras. La velocidad de rotación del árbol es de 60 rpm.

6101 −×

La cámara posee además un sistema de evaporación que se ubican de manera

equidistantes en la pericia de la cámara. En estos se forma el arco entre los

electrones que permite remover los iones del blanco metálico. Cada evaporador

compone de un cátodo y una ánodo, el primero posee el material de aporte del

recubrimiento además provee el polo negativo de la descarga, el segundo provee

el polo positivo de la descarga y esta conectado la fuente de pulsos.

25

Figura 2. Equipo Arco Pulsado.

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. Imagen tomada en U.N –

LAFIP sede Manizales. Mayo de 2005

2.1.5 Adherencia. La adherencia de un recubrimiento es una de las propiedades mas relevantes

desde el punto de vista funcional. Se refiere a su habilidad para permanecer unido

al sustrato en condiciones de servicio y sin degeneración en el tiempo. Existen

diferentes técnicas de medición de adherencia de recubrimientos, algunas son

altamente sofisticadas y de difícil implementación. Para el caso de recubrimientos

duros que son altamente adherentes se utilizan las técnicas basadas en rayado e

indentación.

2.1.6 Dureza. La dureza de un material se define como la resistencia a una deformación plástica

superficial localizada, producida por otro material mas duro. La dureza es una

propiedad importante porque condiciona el comportamiento tribológico (desgaste,

26

fricción, etc) y esta determinada principalmente por las fuerzas intraatómicas del

material y por su microestructura.

La medición de la dureza de un recubrimiento se basa en producir una

deformación plástica superficial del material utilizando un indentador de geometría

definida al que se le aplica una carga definitiva; esta medición se va a realizar en

el equipo de AFM de la UN de Manizales, dando como resultado la nanodureza

del material expresado en Gpa.

2.1.7 Especificaciones de los recubrimientos. Es importante en un recubrimiento, la energía de enlace y espaciamiento

interatómico entre los átomos, esta energía es de vital importancia dado las

características a realizar como procesos térmicos en los cuales es necesario

romper los enlaces o el valor mínimo de energía de unión. Estos enlaces y

energías son directamente proporcionales a la resistencia a altas temperaturas de

fusión las cuales deben de ser elevadas para el tipo de barrera que deseemos

obtener en los procesos de caracterización del material, y así obtener una buena

barrera con el sustrato del alabe rotor de la HPT. Se observa en la tabla 1

diferentes de unión de 4 mecanismos de enlace: Tabla 1. Relación de energías de unión dependiendo el enlace.

Enlace Energías de unión (Kcal/mol)

Iónico 150-370

Covalente 125-300

Metálico 25-200

Van der Waals <10

Fuente. ASKELAND R, Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales. Thompson Editores. Pag 31

27

Muchos compuestos cerámicos son combinaciones de elementos entre

compuestos metálicos y no metálicos, que tienen al mismo tiempo combinaciones

de enlaces covalentes e iónicos.

La energía de unión es mas grande conforme incrementa la diferencia de

electronegatividades.

Como se observa en la tabla 1 los enlaces que presentan en mayor medida altas

características de resistencia son aquellos con enlace iónico, un cerámico por su

parte, que es la fuente de investigación del actual proyecto, logra obtener altos

puntos de fusión, existiendo enlace iónico/covalente fuertes, siendo estos

utilizados como recubrimientos, y por otras características micro-estructúrales, que

presentan la mejor elección para soportar altas cantidades de energía sin

modificar su estructura.

Últimamente se venían usando en la sección de la HPT aleaciones de base

cobalto en la parte estatora o superaleaciones de níquel en alabes del rotor, los

cuales proporcionan buenas características de resistencia, encontrando a veces

pequeñas cantidades de zirconio para aumentar su fluencia.

La interpretación de graficas como Fuerza-Distancia o Energía-separación dan

información sobre el tipo de enlace que posee el elemento, y esto se relaciona con

una pendiente abrupta o parcialmente pequeña, como se muestra en las figuras 2,

donde también se relaciona las distancias interatómicas. La figura 3 puede dar

información sobre el modulo de elasticidad, que es proporcional al valor de la

pendiente dF/da, si este valor es alto, así mismo será su modulo de elasticidad.

28

Figura 3 Diferentes tipos de enlaces para dos materiales. Pendientes grandes y súbitas (dF/da)

corresponden a enlaces fuertes. Pendientes parcialmente pequeñas corresponden a enlaces

débiles. En los cerámicos podemos obtener la primera característica.


Figura 4 Diferentes tipos de enlaces para dos (2) materiales. Se tiene la misma características de

proporcionalidad entre pendientes grandes - enlaces fuertes, y pendientes pequeñas-enlaces

débiles.


29

Cuando no hay información sobre esta energía de unión del elemento/elementos,

es necesario realizar pruebas en equipos especializados como el XPS donde se

mide por medio de descarga de electrones o iones, la energía necesaria para que

estos dejen sus posiciones, y así añadir información valiosa sobre el porcentaje de

cada elemento en el cerámico.

Figura 5 Equipo XPS (Espectroscopio de Emisión de Fotoelectrones de Rayos X).

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. Imagen tomada de los

laboratorios de física del plasma (LAFIP) de la Universidad Nacional (U.N) de Manizales/Colombia.

Mayo de 2005

El coeficiente de expansión térmica es proporcional a la pendiente de la grafica

Energía-Separación en donde una pendiente abrupta o grande significa un

coeficiente de expansión térmica bajo. La característica que se busca

principalmente en los alabes rotores de la HPT en relación a graficas de este tipo

30

es un coeficiente de expansión térmica bajo, tanto en el sustrato como en el

recubrimiento, donde a altas temperaturas de operación obtendremos menor

separación interatómica de los átomos, manteniendo estable su estructura

atómica, así como sus parámetros de red, reflejando un menor cambio volumétrico

en el sustrato**. Estas características pueden ser vistas desde el diagrama de

fases del material cerámico a utilizar, si este no existe es necesario hacer una

análisis en equipos especializados, enfatizando en el nuevo recubrimiento

cerámico: Nitruro de Titanio Aluminio Vanadio∗, en el cual todas sus

características estructurales, así como su comportamiento (adherencia,

propiedades físicas etc ) son desconocidas, pero que pueden llegar reflejar unas

altas posibilidades de cumplir con las expectativas de operación en alabes de HPT

de un motor a reacción.

Varios de los cerámicos utilizados en la actualidad se caracterizan dentro del área

de los recubrimientos duros, adquiriendo características únicas como altos puntos

de fusión, muy altas durezas y resistencia al ataque químico, este ultimo siendo

de gran expectativa en el área de HPT donde se forma el proceso de corrosión en

caliente, donde el azufre que esta presente en los gases de combustión (SO2)

interactúa con el Cloruro de Sodio presente en la atmósfera externa,

combinándose para formar Sulfato de Sodio (SO4Na2), este ultimo depositándose

sobre la capa del sustrato del alabe rotor, centrando una corrosión acelerada en

las zonas de mayor índice de temperatura a través del cuerpo de este.

Esta es una ventaja extra, además de mejorar algunas características debido a

sus bajas conductividades térmicas, dando otro punto a favor a los recubrimientos

cerámicos, característica que no es tan notoriamente buena al utilizar únicamente

una superaleación.

31

*Nitruro de Titanio Aluminio Vanadio (TiAlV)N: nuevo recubrimiento cerámico.

El principal inconveniente de los recubrimientos cerámicos es su característica a la

fragilidad, esto estructuralmente hablando puede ser explicado a través de las

direcciones de deslizamiento o vector Burgers, los cuales son cortos y antes de

poder alcanzar un deslizamiento, la dislocación rompe el equilibrio iónico de las

cargas de aniones y cationes, causando repulsión y generando fallas por

fragilidad antes de que las dislocaciones se muevan de manera importante.

Mientras que por otro lado el sustrato no posee estos inconvenientes ya que se

están construyendo alabes con una estructura granular de monocristal, obteniendo

mejores características a la termofluencia y a la fractura, utilizando técnicas como

la solidificación direccionada (SD) donde solo se crea un grano columnar a través

de todo el alabe, dando como resultado la ausencia de bordes de grano y

direcciones cristalográficas orientadas óptimamente creando un efecto

anisotrópico en la estructura.

Un proceso para poder reducir el crecimiento de grietas de tamaño critico, es

introducir microgrietas, que son incapaces de propagarse por su tamaño por si

solas, impidiendo la formación de grietas mayores. En los procesos térmicos

posteriores a la deposición del cerámico se puede controlar el espesor de las

películas, controlando también el tamaño de grano, que también puede ser otro

método para disminuir la formación de grietas. Estos parámetros de deposición

son claves en el desarrollo de un recubrimiento cerámico adecuado, en los alabes

rotores de la HPT.

Características estructurales y cristalográficas son de importancia a la hora de

lograr una unión entre el sustrato y el TBC, como que ambos mantengan una

estructura parecida o igual organización atómica, favoreciendo la unión entre el

TBC y el sustrato; es importante que coincidan estos parámetros ya que si no

32

funciona es necesario incluir otra capa llamada Bond Coating∗ (BC), sirviendo

como capa adherente, entre el substrato y el TC (Thermal Coating)

Figura 6 Método de incorporación de capa intermedia BC (color dorado) entre el sustrato y el TC

(color blanco). La TC (thermal coating) esta actuando como principal barrera a la entrada de

temperatura (flecha roja), en este caso nos referimos normalmente a la temperatura T3t

(temperatura de entrada a la turbina).

SUSTRATOBC

RECUBRIMIENTO

Fuente: OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H . Diseño en Solid Edge.

Marzo de 2005

Es de aclarar que este tipo de procedimientos (aplicación de BC) se ejecuta si las

estructuras cristalinas del substrato difieren mucho de la del Nitruro de Titanio

33

∗ Material intermedio (BC) : si es necesario se utiliza el mas adecuado para este tipo de procesos : Aluminio

Aluminio Vanadio, no siendo tan necesario, sin embargo es importante mencionar

esto como un posible caso de experimentación.

2.1.8 Procedimientos para la eliminación de defectos superficiales. Es necesario realizar pruebas con equipos como el SEM, permitiendo ilustrar e

identificar elementos puntuales, que pueden ocasionar fallos en la adherencia final

entre la interfase sustrato - recubrimiento (TiAlV)N.

Durante la deposición también se pueden eliminar estos defectos por medio de un

bombardeo de iones de Argon, dentro de la cámara de vacio eliminando

impurezas y especies unidas de forma débil a la superficie.

La limpieza y correcta preparación permite controlar la estructura cristalina del

(TiAlV)N en su crecimiento y así poder alcanzar los máximos niveles de

adherencia y propiedades tanto químicas como físicas del (TiALV)N. El correcto

manejo de estos parámetros permite un control de la rugosidad media del sustrato,

que determinara en gran medida el tipo de unión entre la interfase sustrato-

recubrimiento (TiAlV)N.

2.1.9 Parámetros de control en la deposición. Los parámetros que se controlan en los procesos por plasma, que pueden evitar

posibles inconvenientes que determinaran la calidad del recubrimiento final, son:

• Control de limpiezas superficiales.

• Control de la estructura

34

• Control de la interfase

2.1.10 Control de limpiezas superficiales. La topografía del sustrato determina en gran medida en nivel de adherencia de

este y el recubrimiento, D.M.Mattox nos presenta la siguiente explicación: “La

superficie del sustrato puede limpiarse dentro de la cámara de vació del reactor

de plasma en forma previa de la deposición, en base de un proceso fisicoquímico

de sputter-etching bajo plasma, a efectos de eliminar contaminantes gaseoso

absorbidos o capas de oxido, este proceso es altamente efectivo, y mejora la

adherencia del recubrimiento. A efectos de la limpieza química por Etching, se

utiliza hidrogeno, que se activa en el plasma y reacciona químicamente con

átomos de hidrogeno y carbono en la superficie del sustrato formando H2O y CH4,

respectivamente, que pasan a la fase gaseosa y se eliminan de la cámara vacio

en base al sistema de bombeo. El sputtering se realiza simultáneamente,

agregando Argon al hidrogeno y dando un potencial negativo al sustrato (-1Kw) de

modo de producir un bombardeo de sus superficie con iones de Argon. Este

procesos es efectivo en la eliminación de capas de oxido superficiales”∗.

Se puede realizar un limpieza antes de introducirlo a la cámara de vació y esta se

realiza por acetona en una cubeta ultrasónica, donde se eliminan contaminantes e

impurezas.

2.1.11 Control de la estructura. La estructura final puede ser controlada, ya que existe una interacción de átomos

individuales que al llegar al sustrato pueden llegar tener ciertos parámetros

estructurales controlables bajo ciertas condiciones. Algunas de estas condiciones

que permiten estos controles es la temperatura del sustrato durante el proceso,

que denominaremos como Ts, que junto a la temperatura de fusión del material

35

∗ D.M.Matox. Adhesión and Surface Preparation. Capitulo 3, Deposition Technologies for Films and Coatings

depositado Tm, puede llegar a valorar los procesos de difusión en la superficie del

sustrato (esto incluyendo los iones depositados).

Dentro del control de los parámetros termodinámicos tenemos el de la presión de

trabajo que durante la deposición es de gran importancia debido a que la

estabilidad del plasma depende de este parámetro, es decir, a menor presión

tendremos que el camino libre de las especies (electrones, iones o moléculas) es

grande evitando la colisión entre ellas, logrando una buena deposición.

2.1.12 Control de la interfase. El control de este parámetro permite evaluar el tipo o nivel de adherencia final del

recubrimiento, existen diferentes tipo de interfases que varían de acorde con el

tipo de rugosidad que tengamos en el sustrato, así también como del tipo de

implantación iónica cerámica.

D.M.Mattox nos presenta la siguiente explicación:

“Las características de la interfase son de fundamental importancia en relación con

la adherencia del recubrimiento y pueden controlarse dentro de ciertos limites en

los procesos de deposición por plasma. Distintas alternativas a tal efecto son:

• Producción de una superficie con rugosidad a nivel microscópico en el

sustrato con anterioridad al recubrimiento, como resultado de un proceso

previo de bombardeo con iones positivos energéticos en un plasma de un

gas inerte, a fin de promover un cierto grado de anclaje mecánico interfacial

y conseguir una mejor adherencia.

• Depositar un delgado recubrimiento de otro material sobre el sustrato antes

de aplicar el recubrimiento principal, que tenga una mayor afinidad química

con ambos materiales que la existente entre ellos; por ejemplo, la deposición

36

de una delgada intercala de Ti sobre acero antes de aplicar un recubrimiento

de TiN permite incrementar significativamente la adherencia, como

resultados de efectos químicos y mecánicos.”

2.1.13 Técnicas de caracterización y deposición 2.1.13.1 Técnicas de caracterización. A medida que avanza la utilización de películas delgadas en diferentes

aplicaciones (como el caso de HPT), los requerimientos que se imponen a las

mismas van cambiando y se hacen más exigentes, al mismo tiempo se necesitan

nuevos y más precisos métodos de caracterización.

En películas delgadas o recubrimientos utilizados ya sea como elementos de

protección con mayores durezas superficiales, interesa esencialmente una buena

adherencia al sustrato, una elevada dureza y/o estabilidad química. Existe otro

gran número de aplicaciones donde las películas delgadas no cumplen una

función pasiva. Las propiedades mencionadas siguen teniendo importancia, pero

se hace necesario considerar otras propiedades como: eléctricas, magnéticas,

mecánicas u ópticas según la aplicación específica que se persigue.

Entre las pruebas que se pueden realizar en el laboratorio de Física de Plasma de

la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, a un sustrato o a un

cerámico para su caracterización son los siguientes:

• AFM

• SEM

• Difracción de rayos X.

• XPS

37

2.1.13.1.1 Técnicas de microscopia electrónica (AFM). La microscopia de fuerza atómica es usada para el estudio morfológico de

muestras, tamaño de grano, estudio de rugosidad, y procesos de crecimiento.

El funcionamiento se basa en una punta de sonda soportada en un cantiliver, el

cual por fuerzas de atracción y repulsión entre los átomos de la sonda y la

muestra, realiza movimientos o deformaciones (los cuales pueden ser: flexión

longitudinal, torsión longitudinal, torsión transversal) que serán interpretados por

un haz de láser que barre la superficie pasando a través de espejos y un foto

detector, traduciéndolas como alturas determinadas, que serán enviadas como

señales a una pantalla, mostrando la morfología de la muestra.

Así mismo el AFM se cataloga dentro de equipos con capacidad de trabajar en

modo SPM (microscopia de barrido por sonda).

Estas técnicas permiten la observación de la microestructura con una resolución

que supera ampliamente a la resolución óptica, entre ellas tenemos:

• Microscopia por transmisión: se puede observar la microestructura de toda

clase de muestras cristalinas, amorfas o biológicas, tiene una resolución de

0.3 nanómetros.

• Microscopia electrónica de barrido: se puede observar la superficie de

cualquier clase de muestras cristalinas, amorfas o biológicas.

38

Figura 7. Imagen del AFM.

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. Tomada en la U.N - LAFIP

sede Manizales. Mayo de 2005.

La interpretación de las imágenes es inmediata.

2.1.13.1.2 Difracción de rayos x. Esta técnica se aplica al estudio de materiales cristalinos, donde se obtiene

información sobre:

• Fases presentes en el recubrimiento

• Proporción relativa de las fases

• Orientaciones cristalinas preferenciales (textura cristalográfica)

• Tensiones residuales (macrotensiones y microtensiones)

• Microdeformaciones.

La forma de la estructura cristalina puede ser obtenida mediante información de

distintos métodos de difracción de rayos X, en donde se utiliza un haz

monocromático que mantiene el mismo orden y magnitud que el espaciamiento

atómico del material al cual se golpea, dispersando los rayos en todas las

39

direcciones. Los rayos X que golpean ciertos planos cristalográficos en ángulos

específicos que se ven reforzados en ves de ser eliminados o en ves de

desaparecer al contacto. Este fenómeno es llamado difracción, y utilizando un

difractometro, se pueden detectar patrones de difracción con ángulos de

.Conociendo la longitud de onda de los rayos X, se pueden determinar las

distancias interplanares y así interpretar la característica del plano que causa la

difracción. Es necesario determinar que los rayos X difractados cumplan

necesariamente las condiciones de la ley de Bragg,

Θ2

hkldSen

2λ

=Θ

Figura 8. Diagrama de un difractrometro, mostrando el haz incidente y el haz difractado en forma d

en polvo y el detector de rayos X


Donde es la mitad de del ángulo entre el haz difractado y la dirección original del

haz,

Θ

λ es longitud de onda de los rayos X y es la distancia interplanar entre

los planos que causan el esfuerzo constructivo del haz. Los datos requeridos son

analizados de esta ecuación automáticamente (como las distancias interplanares

hkld

40

para conocer el tipo de estructura) y son dados por el software especializado de

los equipos de caracterización∗.

Esta técnica basa su funcionamiento como se menciono anteriormente en la

difracción, la cual se origina por un fenómeno de difusión causado por número

grande de átomos ordenados de forma periódica formando una red cristalina. Esto

hace que los rayos X difundidos por cada uno de estos átomos tengan una

diferencia de fase entre si, que puede ser destructiva o constructiva según las

direcciones

2.1.13.1.3 SEM. Scannig Electronic Microscope. La microscopia electrónica de barrido es un método que así como el AFM provee

información sobre la morfología superficial de la muestra, información de su

composición química, además de otros como formas de cristalización de

minerales, estudio de moléculas, etc.

El SEM cuenta con un cañón que proporciona un haz de electrones, este es

constituido por un filamento (cátodo), y un ánodo, donde finalmente llegaran los

electrones.

Este proyecta una cantidad determinada de electrones que chocan contra los

átomos de la muestra, produciendo un encuentro, formándose señales (de los

mismos electrones) que son captadas por detectores diferentes, según la señal,

hacia el sistema para poder ser vistas.

41

∗ ASKELANDR. Donald. Ciencia e Ingeniera de los Materiales.Tercera Edición. Thompson Editores. 1998. Pag 65-66.

El haz de electrones es de corta longitud de onda, permitiendo una mayor

resolución, así también es necesario que el sistema donde se analice la muestra

este en vació.

2.1.13.1.4 XPS. X-ray Photoelectron Spectroscopy. Identifica los elementos que constituyen las primeras capas atómicas y su estado

de combinación química.

Figura 9. Equipo XPS.

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. Imagen tomada en U.N –

LAFIP sede Manizales. Mayo de 2005.

En este equipo no se pueden realizar la caracterización de piezas con

propiedades magnéticas ya que estos campos interfieren en el proceso de choque

iónico al sustrato a analizar.

42

3. METODOLOGIA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION Empírico - Analítico

3.2 LINEA DE LA INVESTIGACION DE U.S.B / SUBLINEA DE FACULTAD/ CAMPO TEMATICO DEL PROGRAMA Línea de investigación de U.S.B: Línea de Motores

3.3 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

Los instrumentos de recolección de información están basados en textos y

publicaciones internacionales y nacionales, muchos de los cuales encontrados de

la Universidad Nacional de Manizales. La información trata específicamente sobre

las técnicas de deposición, caracterización, y los diferentes parámetros comunes

de cada técnica para medir, analizar y estudiar las propiedades estructurales de

los sustratos y del recubrimiento de nuevas tecnologías cerámicas.

Como la presente es una investigación ingenieril muchas de las mediciones e

información son hechas por equipos de última tecnología, sin embargo estos

muestran únicamente datos y, deben de ser analizados seguidamente.

Así mismo la asesoria personal hecha por especialistas en el campo de los

materiales, ilustrándonos sus experiencias en las diferentes técnicas, hace parte

importante en la recolección de información.

Los pasos metodológicos son:

43

• Caracterización del material del sustrato

• Proceso de deposición del recubrimiento cerámico sobre el sustrato

• Caracterización y análisis del recubrimiento cerámico

3.4 POBLACION Y MUESTRA

La población que se utiliza en la realización de este proyecto son las siguientes

personas:

Ph.D Alfonso Debía Cubillos – Director De Los Laboratorios De Física Del

Plasma De La Universidad Nacional De Manizales

Ing. Clara Goyes. Miembro del Grupo De Óptica Cuantica De La Universidad Del

Valle

Ing. Fernando Colmenares. Universidad de San Buenaventura

Organizaciones:

Universidad Nacional de Manizales – Laboratorios de Física del Plasma

Instituto Técnico Central Universidad de San Buenaventura 3.5 HIPOTESIS Se pretende analizar y estudiar por medio de una investigación un nuevo

recubrimiento cerámico.

44

4. PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS

4.1 DETALLES EXPERIMENTALES

Una de las características que hacen exitoso el uso de un recubrimiento cerámico

es la elección del material base o sustrato, en el cual vamos a realizar la

deposición del material. Para este estudio se ha elegido como sustrato el acero

Ovar Supreme H13, debido a que es un acero para trabajo en caliente.

El acero Ovar Supreme H13 cumple con las siguientes características:

1. Buen nivel de resistencia a los choques térmicos y la fatiga térmica: Esta

característica es importante dada las condiciones de operación de un alabe de

HPT, la fatiga térmica se desarrolla cuando gradientes no uniformes de

temperatura se crean a través del alabe, incrementando la formación de

grietas.

2. Buena resistencia mecánica a las temperaturas.

3. Buena tenacidad y ductilidad en todas las direcciones.

4. Buena mecanibilidad y buena pulibilidad (este factor se relaciona con la

construcción de las probetas y no es tan relevante).

5. Mantiene su estabilidad dimensional con la temperatura.

4.1.1 Preparación del sustrato. Para la preparación del acero H13 se cortaron en un torno 16 probetas de un

diámetro de 19 mm y un espesor de 2,5 mm, seguido a ello se rectificaron las

probetas dejándolas de un espesor de 2,2 mm (Véase anexo 2), después se

realizo un proceso de pulido hasta lograr un brillo espejo. Las probetas se

realizaron para encontrar la mejor deposición del recubrimiento.

45

4.1.2 Procedimientos De Control. Una de las partes mas importantes para asegurar una buena calidad del

recubrimiento y una excelente adherencia es la preparación de la superficie que se

va a pulir; para realizar este proceso se eligió la superficie con lijas de diferentes

granulometría iniciando con una lija Nº 180 y terminando con una lija Nº 1500,

después de este proceso de lijado se pulió la superficie en un paño con Alumina

de 50 µm, finalmente para eliminar todos los residuos que deja la limpieza

mecánica (lijado) se realizó una limpieza por el método de ultrasonido, en esta

ultima la probeta se sumerge en acetona introduciéndola en una cuba ultrasónica

alrededor de 20 minutos.

Con este proceso se esta controlando las características de adherencia.

El proceso de limpieza se ejecuto en los 16 sustratos.

Para conocer la cantidad necesaria de probetas a utilizar se construyen

dependiendo de los parámetros que se quieran variar y se tiene en cuenta que

para sacar el recubrimiento mas adecuado se utiliza el método de ensayo y error.

4.2 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN DE PROBETAS H-13. Los siguientes resultados son obtenidos bajo el sustrato H13, en el cual se

ejecutaron las pruebas∗, y sobre el cual se deposita el recubrimiento cerámico

NTiAlV, esto hace que su estudio sea importante, ya que características y

propiedades del cerámico tales como adherencia y calidad del recubrimiento se

basan en el estudio del sustrato, es decir, de parámetros como su estructura

cristalina, la morfología de su superficie al momento de a deposición del cerámico,

∗ Pruebas de H-13 y cerámico: realizadas en los laboratorios de física del plasma (LAFIP) de Universidad Nacional de Manizales/ Colombia. Septiembre 2005.

46

entre otros pueden verse cambiadas dependiendo del sustrato, que se escoja. Los

resultados son:

4.2.1 Difracción De Rayos X. En el siguiente patrón se observa la relación de energía medida en Counts (de 0

hasta 900) y los ángulos de difracción (que va de a respectivamente),

mostrados en los ejes Y y X respectivamente:

Ο30 Ο80

Figura 10. Se observan dos picos, los cuales indican una difracción de una estructura cristalina

BCC.

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. U.N- LAFIP sede Manizales.

Septiembre de 2005.

34-0396 (I) - Iron Chromium 434-L stainless steel - Fe-Cr - Y: 52.08 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - I/Ic PDF 0.6 - S-Q 91.6 % - 87-0721 (C) - Iron - Fe - Y: 87.50 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - I/Ic PDF 10.8 - S-Q 8.4 % - Operations: Background 0.000,0.000 | Smooth 0.092 | ImportFile: alabe_h13.raw - Type: 2Th alone - Start: 30.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1.2 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 0 s - 2-Theta: 30.000 ° - Theta: 5.000 ° - Phi: 0.00 ° - Display plane:

Lin

(Cou

nts)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2-Theta - Scale30 40 50 60 70 8

47

Se obtuvieron los siguientes resultados:

• El pico que se ve en la figura muestra un pico de hierro, determinando que la

estructura del H13 es BCC.

• Parámetro de red de: a = 2.87Å

• Índices de Miller (direcciones cristalográficas) :

♦ d = 2.03265 A h = 1 k = 1 l = 0

♦ d = 1.43730 A h = 2 k = 0 l = 0

La presencia de Hierro es interpretada dentro de los picos comprendidos entre los

rangos de y respectivamente. Este patrón es característico en análisis de

sustratos con composición Hierro-carbono. Así mismo se trabajaron con las

siguientes variables:

Ο42 Ο46

• Velocidad de barrido : 1 deg/min

• 5406,1=λ (longitud de onda)

4.2.2 AFM. Las escalas utilizadas para el análisis de la muestra son 10 µm x 10 µm x 250 nm.

Estas imágenes son transmitidas a través del software SPIP∗, que nos permitió

realizar un análisis profundo. (Véase figura 10).

∗ SPIP: Scanning Probe Image Processor. Software utilizado para desarrollar análisis topográfico, estructural de la muestra, tales como: fronteras de grano, rugosidad, parámetros de red, entre otros.

48

Figura 11. Imagen AFM del sustrato H-13 seleccionado. Da una vista bidimensional, el en cual se

observa su topografía (a), así mismo se puede observar esta misma en tres dimensiones (b).

a)

b)

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. U.N - LAFIP sede Manizales.

Septiembre de 2005

49

muestra, limitando por medio de una línea la sección la cual queremos analizar.

(Ver Figura 11)

Se puede observar la línea blanca en la cual indicaremos la superficie de análisis,

los puntos que se posan sobre la muestra son herramientas para acotar la

medición. (Ver Figura 11) Figura 12. El análisis de esta superficie da información sobre la topografía así como de sus

dimensiones a través de los ejes z y x.

Fuente. OSPINO MARTINEZ, Sandra M. y TORRES LOPEZ, Jhon H. Análisis por SPIP.

Septiembre de 2005

Las flechas que se observan en la figura 11 nos delimitan las superficies a estudio,

los resultados obtenidos según el color de las mismas se refleja en la siguiente

tabla:

50

Tabla 2. Acotamiento de los sectores señalados por las flechas en la figura 12 de la muestra.

INDICACION Eje X (µm) Eje Y (nm)

Flecha de indicación

azul

0.3149 -470.3

Flecha de indicación

roja

3.9370 -469


Septiembre de 2005

Así mismo la interpretación de los bordes de grano o fronteras de grano, son

analizadas por diferentes áreas que cambian de color (Figura 13), en este caso

SPIP reconoció 121 granos, donde se obtiene que el tamaño de grano promedio

es de 597 mµ .

Figura 13. Ilustración de las fronteras de grano, están interpretadas por áreas con diferentes

colores. En este caso identifico 121 áreas o granos.


Septiembre de 2005.

51

Tabla 3. Se observa los datos que arroja SPIP en su herramienta “Segment Analisys”. Como dato

importante vemos que el tamaño de grano promedio es de 597 nm (fila “Mean”, columna “Size”)


Septiembre 2005

El análisis demostró que la rugosidad media es de 120 mµ , esto es un factor

determinante en la adherencia, ya que si la rugosidad media esta en el orden de

las nanomicras, se dice que el tipo de interfase sustrato-(TIAlV)N puede llegar a

ser de difusión manejando adecuadamente los parámetros de deposición del

(TIAlV)N.

4.2.3 Análisis químico por SEM. Las pruebas arrojadas en este equipo revelan información sobre la composición

química y estequiometrica, estableciendo porcentajes en masa y volumen de las

fracciones que se encuentran en el sustrato H-13.

Area Length Width Size Perim Aspect CCntrX CCntrY MeanZ Volume

Mean 2.08E

+5 632 219 597 1956 3.00 73.0 64.6 -445

9.22E+7

SD 2.54E

+5 472 171 465 1523 1.45 37.9 37.6 141

1.15E+8

52

Figura 14. Los picos revelan la presencia de elementos en el sustrato, el pico al extremo derecho

que no posee identificación es uno de Fe (Hierro).


Septiembre de 2005.

Como se observa en la figura 14 los picos representan señales de diferentes

elementos que se encuentran en el sustrato. Las cantidades moleculares (Wt%)

de cada elemento que se encontraron en el sustrato fueron las siguientes:

• Fe: 83,91%

• Si: 3,41%

• Mo: 3,76%

• V: 1,68%

• Cr: 5,72%

• Mn: 1,51%

53

Figura 15. Imagen tomada por SEM, donde se analiza una sección del sustrato, con morfología

montañosa (punto blanco) de aproximadamente 7 mµ de longitud, del sustrato H-13, el cual

posee altas concentraciones de carbono.


Septiembre de 2005.

Mediante este análisis se pueden analizar topografías extrañas, que resuelven

dudas que podrían originar confusiones a la hora de examinar el recubrimiento

después de la deposición. Este análisis se presenta en la figura 14, donde se

estudia una región con relieve sobresaliente, donde se encontraron altas

concentraciones de carbono (carburos), indicando que es una zona que presenta

mayor dureza que las zonas planas del sustrato, sin embargo no indicaba

presencia de contaminación, llevando a la conclusión que eran características

morfológicas debido al proceso de fundición.

54

Las cantidades de cada elemento que se encontraron en los carburos son las

siguientes:

• C: 64,63%

• Al: 0,79 %

• Mo: 2,10%

• Cl: 0,31%

• V: 0,55%

• Fe: 31,61%

4.3 PRUEBA DE NANOINDENTACION REALIZADA EN EQUIPO AFM Este procedimiento se basa en realizar una indentacion a la muestra con una

punta de diamante sostenida en un cantiliver por medio de un actuador

piezoeléctrico, aplicando una determinada fuerza al indentador. Con esta prueba

se pueden realizar cálculos para obtener graficas de carga Vs deslizamiento.

La nanodureza puede ser medida por medio de la división de la carga de

indentacion y el área residual proyectada por la misma.

Así podemos decir que la dureza (H) esta expresada por los siguientes términos:

cAP

H max= ,

Donde Pmax es la máxima carga aplicada, y Ac el área proyectada de contacto.

La medida de la dureza se cálculo por el método de imagen. Para generar la

huella de indentación se utiliza un indentador piramidal de 3 caras (Berkovich).

En la imagen AFM se observa la huella de la indentación en el sustrato, cuya área

proyectada es de 0.1027 y su fuerza de indentación fue de 3.03E5 . La

dureza calculada fue de 2.95Gpa.

2mµ nN

55

Figura 16. Imágenes obtenidas por AFM, (a) indentacion, caracterizada por la huella dejada por la

punta de diamante para conocer su nanodureza, (b) ilustración de la superficie delimitada en color

rojo para ejecutar cálculos de nanodureza.

a)

b)


Septiembre de 2005. Análisis por SPIP.

56

4.4 PROCESO DE DEPOSICION (TiAlV)N

El proceso de deposición se realizó de la siguiente manera:

Tabla 4. Parámetros de control para la deposición del material. Probeta Nº 1

PARAMETRO VALOR PRESION 7,0 mbar

ATMOSFERA NITROGENO

VOLTAJE DE DESCARGA 225V

NUMERO DE ARCOS 3

DURACION DEL ARCO 2 Sg

TIEMPO DE GLOW 0 min

INTERVALO ENTRE ARCOS 6 Sg

DISTANCIA INTERELECTRODICA 5 mm


Octubre de 2005



ATMOSFERA NITROGENO


NUMERO DE ARCOS 5





57


Octubre de 2005



ATMOSFERA NITROGENO


NUMERO DE ARCOS 3





58


Octubre de 2005

En el método Glow hace énfasis a un previo calentamiento (activado por plasma)

del sustrato dentro de la cámara como se puede ver en la figura 17. donde se

realizó una limpieza del sustrato, se inyectó Argón dentro de la cámara y gracias al

choque que existe entre el gas y los electrodos se produce un desprendimiento de

particulas, como grasas y otras impurezas.

Figura 17. Cámara de reacción. Se puede observar el parámetro. El color morado indica el cuarto

estado de la materia (plasma)


Octubre de 2005

La técnica que se utilizo los anteriores métodos fue la de deposición física en fase

de vapor asistida por plasma (PAPVD) por Arco Pulsado, el proceso genera un

arco entre dos electrodos gracias a un pulso de alta tensión que produce una

ruptura dieléctrica del gas. El blanco de TiAlV (Vease anexo 3) usado tiene una

dureza del 99.5%, el porcentaje de cada uno de los elementos es de 40% de Ti,

40% de Al y 20% de V.

4.4.1 Equipo seleccionado para la deposición. El equipo consta de una fuente de potencia, que funciona por medio un transistor

bipolar de compuerta aislada para generar la descarga. El sistema de vació consta

59

de una bomba turbo molecular, con un medidor de presión Balzers, un sensor

Pirani, y un sensor de cátodo frió. La cámara de reacción es de acero inoxidable.

Figura 18. Cámara de reacción. Se pueden observar el sistema de vació con sus respectivos

componentes.

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Foto tomada de los laboratorios

U.N.-LAFIP. Septiembre de 2005

Figura 19. Control de la fuente de potencia.


60

Montaje del portamuestra

s y piezas

Limpieza de la pieza

y SEM

Pulido tipo espejo

Vacío x 5,9 E -4 mbar

Purgas con Argon

Glow 1Omin

a

Vacío x 5,9 E -4

mbar

Parámetros P= 7 mbar

Introducción de Nitrógeno

Descarga de TiAlV 2 arcos

de 6 seg

Retirar Apagar

Esperar 1 hora

Caracterizar

Figura 20. Diagrama de flujo para el procedimiento de la deposición de (TiAlV)N


U.N.-LAFIP. Septiembre de 2005

Las temperaturas del sustrato se encuentran alrededor de los 3000C durante los 2

primeros procesos, sin embargo durante el método de deposición “glow” se

pueden obtener temperaturas alrededor de los 4000C, mejorando características

de control de superficie y de estructura final.

Seguido a los procesos de deposición se prosiguió a caracterizar las 3 probetas

para así poder determinar cual tenia los mejores resultados.

61

4.5 CARACTERIZACION DE LA DEPOSICION DE (TiAlV)N

Las caracterizaciones fueron realizadas en los equipos SEM y AFM, logrando así

medir valores como rugosidad media, tamaño de grano, evaluando así la eficacia

de las ratas de deposición durante las pruebas de ensayo y error, añadiendo en

cada una el análisis por SPIP. Se construyo además un porta-muestras para

soportar las probetas en sus medidas específicas (Véase anexo 2). De las 15

probetas hechas solo 3 demostraron resultados satisfactorios de deposición de

(TiAlV)N. Estas 3 son las que posteriormente se caracterizaron, estudiaron y

analizaron.

4.5.1 Análisis por SEM

4.5.1.1 Resultados de caracterización con la primera probeta. La siguiente grafica ilustra los resultados de la primera probeta, observando

ciertos porcentajes de O(oxigeno), y C(carbono), los cuales son perjudiciales, si es

que se desea obtener una estructura sin impurezas que después pueden afectar

las características de protección del recubrimiento disminuyendo la vida útil del

mismo.

62

Figura 21. Análisis por SEM, de la primera probeta.

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Análisis hecho en SEM. U.N-LAFIP.

Los porcentajes de cada uno de los elementos encontrados por análisis en SEM

fueron los siguientes (porcentajes en fracciones atómicas y moleculares, Wt % y

At%):

63

Tabla 7. Porcentaje de los elementos encontrados en SEM durante la deposición de la segunda

probeta.

Elemento Wt % At % K-Ratio

C 7.41 9.92 0.0203

N 58.24 66.84 0.1770

O 11.22 11.27 0.0105

Al 16.33 9.73 0.0768

Ti 4.76 1.60 0.0424

V 2.03 0.64 0.0179

Total 100.00 100.00


Los porcentajes de C y O son de 7.41% y 11.22%, los cuales como se menciono

con anterioridad son perjudiciales pues reaccionan químicamente con otros

especies durante la deposición y afectan la estructura final, variando propiedades

químicas y físicas del recubrimiento. Los otros porcentajes demuestra que los

niveles (tanto Wt % como en At %) de N son los mas altos, y esto se sigue

manteniendo en las otras dos caracterizaciones.

4.5.1.2 Resultados de caracterización con la segunda probeta. La siguiente grafica (ver figura 22) hace alusión al análisis de la segunda probeta

donde se encontraron los siguientes análisis estequiométricos y químicos, cada

uno ilustrado por un pico con una altura determinada según su porcentaje:

C(carbono), O(oxigeno), N(Nitrógeno), Ti(Titanio), y .V(Vanadio).

64

Figura 22. Análisis por SEM, de la segunda probeta. Se siguen manteniendo ciertas impurezas

tales como O y C


Octubre de 2005

Los porcentajes de Carbono y Oxigeno aluden a la presencia de contaminantes

que fueron hallados durante el análisis por SEM, esto ocasionado probablemente

por los procesos mecánicos previos al lijado o a la manipulación manual de la

probeta, esto es una falla muy probable ya que cualquier alteración de los

parámetros ambientales previos a la deposición por mínimos que sean pueden

65

causar que impurezas sigan aun durante los procesos de deposición formando

nuevos compuestos, localizándose en zonas intersticiales o substitucionales, o

algunas veces pueden llegar a trasladarse a la interfase produciendo fallas en

estas zonas, en este caso la interfase seria el sustrato en el que esta hecho el

alabe de rotor de turbina de alta presión. Estas impurezas pueden reaccionar con

el recubrimiento formando compuestos, o llegan a permanecer en posiciones

intersticiales.

Los porcentajes de cada uno de los elementos encontrados por análisis en SEM

fueron los siguientes (porcentajes en fracciones atómicas y de peso):

Tabla 8. Porcentaje de los elementos encontrados en SEM durante la deposición de la primera

probeta.


C 7.69 10.22 0.0219

N 54.97 62.59 0.1696

O 16.60 16.55 0.0164

Al 14.65 8.66 0.0672

Ti 4.20 1.40 0.0375

V 1.89 0.59 0.0166

Total 100.00 100.00


Octubre de 2005

4.5.1.3 Resultados de caracterización con la tercera probeta. Con la tercer y última probeta se decidió cambiar de método utilizando un

parámetro de Glow de 10 minutos a bajas presiones de trabajo.

66

Por medio de este método se hallaron excelentes resultados, ya que no se

hallaron indicios de impurezas tales como C (carbono) y O(oxigeno), y además

solo se logran obtener los elementos deseados del recubrimiento (TiAlV)N.

En la siguiente grafica obtenida por SEM, se ilustra este resultado.

Figura 23. Análisis por SEM, de la tercera probeta. No se observan porcentajes alguno de

impureza.


U.N-LAFIP. Octubre de 2005

67

Con esto se obtuvieron a la vez los siguientes porcentajes:

Tabla 9. Porcentaje de los elementos encontrados en SEM durante la deposición de la tercer

probeta, realizada por el método Glow.


N 48.78 68.46 0.1411

Al 33.47 24.38 0.1640

Ti 12.20 5.01 0.1057

V 5.56 2.14 0.0482

Total 100.00 100.00


Si se observan las anteriores tablas (Véase tablas 8 y 7) se encuentra que los

porcentajes de aluminio son escasos (menores a un 17% en Wt % y 9% en At%),

sin embargo mediante el método Glow, el Aluminio incrementa su presencia

porcentual. Esto favorece la resistencia a la oxidación de la película.

4.5.2 CARACTERIZACION POR AFM

4.5.2.1 Caracterización de la primera probeta. El proceso de caracterización de la primer probeta registro una rugosidad media

(R. average) de 214 Å (ángstrom), lo cual indica que el recubrimiento es bastante

liso en su topografía, la figura 23 demuestra el análisis realizado, donde se

selecciono un área determinada de mm µµ 55 × en los ejes X y Y, con una altura en

el eje Z de 2000 Å (ángstrom). Esto favorece el crecimiento de las especies

depositadas.

68

Figura 24. Muestra topográfica para fines de cálculo de la rugosidad media.

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Imagen obtenida por AFM. Octubre

de 2005

En la figura 24 se observa el resultado obtenido el cual indica la rugosidad media,

donde se comparan los valores de altura (eje X) con los porcentajes hallados de

cada uno de estos sobre el área seleccionada. Según figura 24 se observa que la

mayoría de los picos se encuentran en alturas que se encuentran por debajo de

los 500 Å.

69

Figura 25. Muestra topográfica donde se comparan altura Vs porcentaje de estas en el área de

estudio.


de 2005

En análisis de grano se realizo bajo SPIP y su herramienta “Grain Análisys”

topográfico, donde se tomo una nueva área de barrido de 5000 Å x 5000 Å con

una altura de 500 Å. (Vease figura 25).

70

Figura 27. Área topográfica seleccionada para calcular de la rugosidad media.


de 2005

Por medio SPIP se logro determinar el tamaño de grano promedio, para este

análisis se utilizo la herramienta “Profile” en donde se selecciono 4 líneas con

diferente acotamiento, para medir diferentes secciones de la topografía, y así

determinar un mejor promedio. (Véase figura 26).

71

Figura 27. Selección de superficie a estudio. Cada línea tiene su respectiva cota señalada por dos

círculos. Cada cota mide un grano independientemente.


de 2005

Las líneas determina el estudio de la superficie determinada, cada línea (A,B,C o

D) señalada por los colores: rojo, verde, azul y verde, esta siendo acotada en

fronteras de grano determinando altura promedio y tamaño del mismo.(Véase

figura 27).

72

73

Figura 28. Acotamiento de fronteras de grano.


de 2005

Cada acotamiento me da la medida específica de tamaño de grano. Estos se

relacionan, para poder sacar el tamaño de grano promedio de la muestra que es

de mµ103.0 .

Figura 29. Tamaños de grano según la línea de selección.


de 2005

74

Figura 30. Vista en 3D de la topografía.


de 2005

4.5.2.2 Caracterización de la segunda probeta. El proceso de caracterización de la segunda probeta registro una rugosidad media

de 363 Å, lo cual indica que en esta probeta la rugosidad promedio fue menor que

la primera, con una diferencia de 95 Å, la figura 30 demuestra el análisis realizado,

donde se selecciono un área determinada de mm µµ 55 × en los ejes X y Y, con una

altura en el eje Z de 1600 Å (ángstrom).

Figura 31. Muestra topográfica para fines de cálculo de la rugosidad media de la segunda probeta.


de 2005

Así mismo la figura 31 compara la altura de los picos en porcentaje hallados sobre

el área de estudio.

Figura 32. Muestra topográfica donde se comparan altura Vs porcentaje de estas en el área de

estudio.


de 2005

75

Para el análisis de tamaño de grano se selecciono un área de estudio de

4005.05.0 ×× mm µµ Å en los ejes X,Y y Z respectivamente, como se ilustra en la

figura 30. Así mismo las secciones a estudio fueron marcadas por 4 líneas como

se observa en la figura 32 (b).

Figura 33. Se observa: a) selección de superficie a estudio, b) líneas tiene su respectiva cota

señalada por dos círculos y c) cotas que miden límites grano independientemente calculando

rugosidad media.

a)

b)

76

c)


de 2005

El tamaño de grano obtenido fue de mµ115.0 , es decir un tamaño de grano

mµ012.0 mas que la primer probeta. La siguiente figura ilustra 2 topografías en 3D

de diversas áreas seleccionadas de las probetas con un aumento en el momento

de resolución. La primera con dimensiones de mmm µµµ 20.022 ×× mientras la

segunda tiene 5000 Å X 5000 Å X 500 Å.

77

Figura 34. Imágenes en 3D, a) con dimensiones mmm µµµ 20.02020 ×× y b)

5000Å×5000Å×500Å.

a)

b)

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Imagen obtenida por AFM. Octubre de

2005

78

4.5.2.3 Caracterización de la tercera probeta. El proceso de caracterización de la tercera probeta registró una rugosidad media

de 343 Å, indicando que fue mayor que la rugosidad media de las dos anteriores

probetas, la siguiente figura demuestra el análisis realizado, donde se seleccionó

un área determinada de 200055 ×× mm µµ Å.

Figura 35. En a) se ilustra el área seleccionada, b) relaciona los porcentajes sobre el área relación

Vs alturas encontradas

a)

79

b)


de 2005

El análisis de grano es demostrado en la figura 35, donde se muestran los mismos

pasos y cálculos que se efectuaron por SPIP en las dos anteriores probetas.

Figura 35. Da información sobre posición de cada línea de análisis a), selección y acotamiento de

tamaños de grano b), y tamaño de grano de cada sección. Los resultados son resaltados y

diferenciados por colores.

a)

80

b)

c)


de 2005

81

El tamaño de grano promedio general fue de mµ338.0 , siendo el mas grande de

las dos anteriores probetas. Gracias al parámetro Glow se logró eliminar algunas

impurezas aumentando de esta manera la adherencia del recubrimiento. El

espesor de las películas estas dentro del orden de las mµ2 y mµ4 .

4.6 ANALISIS POR XRD El análisis por difracción de rayos X (XRD) es complejo ya que no se tiene una

fuente de datos con la cual se puede comparar la muestra tendido ya las graficas

de Intensidad Vs barrido (cada 2 theta grados). Las películas obtenidas de

(TiAlV)N presenta una estructura cúbica cristalina FCC.

Figura 36. XRD de (TiAlV)N.

40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

120

140

SS(3 1 1)

(2 0 0) + S

(2 2 0)

S

(1 1 1)

INTE

NSID

AD (u

.a.)

2 THETA (GRADOS)


de 2005

82

Las direcciones cristalográficas (o índices de Miller) obtenidos fueron:

(1 1 1)- (2 0 0)- (2 2 0)- (3 1 1)

El parámetro de red se hallo por medio del método de extrapolación lineal dando

un resultado de 4.15 ± 0.0014 Å. La siguiente grafica demuestra el procedimiento

efectuado para este análisis.

Figura 37. Interpolación lineal de para calcular el parámetro de red

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

4,154

4,155

4,156

4,157

4,158

PARA

MET

RO D

E RE

D (A

)

COS2Θ COS2Θ---------------- + -------------------

SINΘ Θ


de 2005

83

4.7 PRUEBA DE NANODUREZA PARA EL (TiALV)N La prueba de dureza presento valores por encima de los 105,4 Gpa, sin embargo

la indentacion fue limitada por el tamaño de la punta de diamante (Berkovich),

dado que la huella dejada por este no era suficientemente visible por el AFM, esto

limito saber con certeza la máxima dureza de la película de (TiAlV)N, esto indica

que la dureza debe de estar por encima de los valores indicados.

Figura 38. Huella de indentación para nanodureza de (TiAlV)N.


de 2005

La huella de la indentación en el sustrato, cuya área proyectada es de 0.1027 µm2

y su fuerza de indentación fue de 10,82E5 . La dureza calculada fue de 105,4

Gpa.

nN

84

4.8 ANALISIS DE POROSIDAD

4.8.1 Porosidad del sustrato. El análisis de la porosidad fue efectuado en SPIP, en su herramienta “ Grain/Pore

Análisis”, presentándose una medida según el área de estudio , y un promedio

general de la sección ( Ver Tabla 10).

El análisis del sustrato dio los siguientes resultados:

• Numero de poros detectados: 23

• Cobertura 21,7%

En la figura 39 se observa la imagen en vista 3D, así como el área de análisis

dimensionado bajo los ejes X,Y y Z.

Figura 39. Imagen tomada de AFM del sustrato H-13.


de 2005

85

Según la tabla podemos observar que el porcentaje de porosidad existente en un

área promedio de 9,6 E 5 es de 21,7 %. 2mµ

Tabla 10. Medición de porosidad. Analizada por SPIP.

Medida Seleccionado Promedio

Área 4,7 E 5 9,6 E 5

Volumen 1,3 E 8 1,1 E 8

Longitud 1171 1532

Anchura

promedio 402,5 587,6

Diámetro 775 1063

Perímetro 3307 5156


de 2005

4.8.2 Porosidad de la primera probeta con (TiAlV)N.

El análisis de la primera probeta dio los siguientes resultados:

• Numero de poros detectados 57

• Cobertura 33,0%



86

Figura 40. Imagen tomada de AFM.

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Análisis por SPIP. Imagen obtenida

por AFM. Octubre de 2005

La tabla 11 ilustra que el porcentaje de porosidad que hay en un área promedio

de 5877 es de 33,0 %. 2mµ

Tabla 11. Medición de porosidad a la primer probeta. Analizada por SPIP

Medida Seleccionado Medio

Área 868 5877

Volumen 2 E 5 1,2 E 6

Longitud 42,40 121,1

Anchura


Diámetro 33 83

Perímetro 126 449 Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Imagen obtenida por AFM. Octubre

de 2005

87

4.8.2 Porosidad de la segunda probeta con (TiAlV)N.

El análisis de la segunda probeta dio los siguientes resultados:


• Cobertura 35,6 %



Figura 41. Imagen tomada de AFM

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Imagen obtenida por AFM. Análisis

por SPIP. Octubre de 2005

La tabla 12 ilustra el porcentaje de porosidad que hay en un área promedio de

5091 es de 35,6 %. 2mµ

88

Tabla 12. Medición de porosidad. Analizada por SPIP


Área 2418 5091

Volumen 4,2 E 5 9,9 E 5


Anchura


Diámetro 55 75

Perímetro 205 385 Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Análisis por SPIP. Imagen obtenida

por AFM. Octubre de 2005

4.8.2 Porosidad de la tercer probeta con (TiAlV)N.

El análisis de la tercera probeta dio los siguientes resultados:


• Cobertura 33,6%


dimensionada bajo los ejes X, Y y Z.

89

Figura 42. Imagen tomada de AFM

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H.. Imagen obtenida por AFM. Análisis


La tabla 13 ilustra que el porcentaje de porosidad que hay en un área promedio

de 11014 es de 33,6 %. 2mµ

Tabla 13. Medición de porosidad. Tomada de SPIP


Area 5704 11014

Volumen 2,1 E 5 6,6 E 5


Longitud


Diámetro 85 108

Perímetro 441 569

Fuente. Ospino Martínez, Sandra M. y Torres López, Jhon H. Imagen obtenida por AFM. Análisis


90

En la figura 39 podemos observar que la cobertura de la porosidad del sustrato es

del 21,7%; después de la deposición final de (TiAlV)N se presentan incrementos

en la cobertura de la porosidad en los tres tipos de deposición descritos en el

numeral 4.4.

Si existen incrementos de porosidad en los rango del 25 – 30 % ( vol) de un

recubrimiento con respecto a un 20 - 25 % (vol) del sustrato, el resultado es la

disminución de la conductividad térmica y la transferencia de calor transferida

hacia el sustrato∗.

91

∗ DORFAM R, Dorfman. Termal Spray Basics. WestBury, New York. Pag 47-50.

5. CONCLUSIONES

Se realizó satisfactoriamente la deposición de un nuevo recubrimiento cerámico

cuaternario: (TiAlV)N. El recubrimiento (TiAlV)N demostró bajo análisis por AFM y

SPIP que los tamaños de grano cambian con respecto a condiciones

termodinámicas de deposición como lo son presión y temperatura. El parámetro

que mas se controló fue la limpieza superficial del sustrato y derivado de este, se

pudo manejar el control de la interfase por medio de limpiezas previas como la

inmersión de la pieza en la cubeta ultrasónica con acetona, mientras que el control

de la estructura (como tercer parámetro de control) tuvo condiciones aleatorias

como la presencia de contaminantes como los encontrados en las probetas 1 y 2

(Oxigeno y Carbono, bajo el análisis por SEM) los cuales reaccionan para

modificar químicamente las propiedades del (TiAlV)N.

Los mejores resultados de adherencia se obtuvieron bajo el parámetro Glow ya

que este permitió evaporar las impurezas (transformándolas a un estado gaseoso)

a la cámara de vació pudiéndolo observar en el análisis de SEM, además de el

trabajo de bajas presiones de las especies de (TiAlV)N, a través del recorrido del

blanco, permite evitar colisiones con otros elementos presentes durante la

deposición. Otro punto a favor de esta técnica es el aumento de la difusión

superficial de los átomos absorbidos hacia nuevas posiciones de equilibrio

disminuyendo las energías de activación, venciendo niveles energéticos y

permitiendo nuevos centros de nucleación.

La estructura obtenida en el recubrimiento fue FCC mientras que la del sustrato H-

13 fue BCC.

92

Así mismo como vemos los tiempos de deposición demuestran que la rata de

deposición fue alta si la comparamos con el tamaño promedio de grano de las tres

muestras.

Los tamaños de grano obtenidos están dentro del rango de mm µµ 1.04.0 − ; un

tamaño de grano pequeño como este, permite que posibles dislocaciones de red

no logren avanzar a través de los bordes de grano (estos poseen grandes

cantidades de energía gracias a los esfuerzos de tensión o comprensión)

ocasionando imperfecciones de red que finalmente ocasionaran grietas,

descubriendo gradualmente la superficie del alabe, disminuyendo la vida útil de

este.

La rugosidad media por su parte esta dentro del rango de 200 Å y 363

Å(ángstrom), este efecto permitió un aumento en la adherencia, evitando zonas de

porosidad como se presenta cuando se tiene rugosidad mayores a mµ1 (con

anclajes de interfase tipo mecánico), y crecimientos columnares donde se hayan

zonas sin recubrir, produciendo películas poco densas, con débiles propiedades

mecánicas. Con este resultado de rugosidad se obtiene una mayor área de

contacto entre la película y el sustrato, demostrando que existen mayor cantidad

de uniones de valencia mejorando la adherencia final.

Los ensayos de dureza realizados demuestran que las propiedades tribológicas

del (TiAlV)N están relacionados directamente con el desgaste que se tendrá

cuando este sea aplicado en los alabes de la turbina de alta presión. Los

fenómenos que mas se controlarán por medio de esta característica son la

termofatiga (creep corrosión), debido a los ambientes gaseosos altamente

dañinos a los que se somete el alabe durante los ciclos de operación. Sin embargo

todos los análisis referidos a una posible aplicación a alabes de turbina de alta

presión son de carácter cualitativo, con la faltante de no obtener resultados

dinámicos, que determinan una verdadera medición de estos comportamientos

93

tribológicos, añadidos con otros parámetros como la termofluencia donde a

mayores temperaturas de operación del alabe se presenta una mayor difusión

atómica y una menor energía de activación, además de posibles cambios en la

estructura atómica del (TiAlV)N (que pueden llegar a ser revelados como

transformaciones de volumen que pueden llegar a producir grietas) los cuales

deben de ser especificados con el diagrama de fases. Sin embargo el análisis de

la porosidad media demostró que los niveles de porosidad presentan aumentos

entre un 25% a un 30% (esto limitando dentro de los rangos permitidos por

estudios previos) beneficiado las características de operación de un alabe de

turbina de alta presión a elevadas temperaturas, como lo son la disminución de la

conductividad térmica y la transferencia de calor dirigida al sustrato.

94

6. RECOMENDACIONES

Se recomiendan realizar pruebas dinámicas en un motor a reacción en la sección

de los alabes de turbina de alta presión, con la aplicación del recubrimiento

cerámico de (TiAlV)N, para conocer como se comportan a sus características

tribológicas, además de otras como la relación de expansión de térmicas entre el

H-13 y el (TiAlV)N, relacionando propiedades a la termofluencia, estudiando el

cambio de fases que pueda presentar durante temperaturas observando la

formación de crecimiento de capas de oxido (TGO) además de movimientos de

bordes de grano y niveles de porosidad.

Es necesario realizar pruebas de resistencia a la corrosión por medio de análisis

de cámara salina, conociendo el numero de horas al cual puede llegar el

recubrimiento como vida útil, sin afectar la normal operación del alabe y

rendimiento del motor.

Los niveles de energía deben de ser evaluados bajo otros parámetros, con

equipos como XPS, donde se debe tener especial cuidado de no tener sustratos

con comportamientos magnéticos.

Se recomienda que se continúen realizando una caracterización mas profunda del

recubrimiento (TiAlV)N sobre sustrato de H-13, ya que en este proyecto no se

pudieron realizar debido a la dificultad en el acceso de los equipos respectivos.

También es de gran utilidad realizar pruebas mecánicas para conocer los máximos

niveles de resistencia.

95

BIBLIOGRAFIA ASKELAND R, Donald. Ciencia e Ingeniería de los materiales. Tercera Edición.

Thompson Editores.1998. 790 Pag.

AGENCIA DE COOPERACIÓN INTERNACIONAL DEL JAPON (JICA) Y

COMISION NACIONAL DE ENERGIA ATOMICA (CNEA). Procesamiento de

Materiales por Plasma. Agosto 2001. 274 Pag.

S, Musikant. What Every Engineer Should Know about Ceramices. New York,

1991.

D.M.Matox. Adhesión and Surface Preparation. Capitulo 3, Deposition

Technologies for Films and Coatings.

WACHTMAN B, John y HABER A, Richard, Ceramics Films and Coatings The

Center for Ceramcs Research Rutgers, the State University of New Jersey

Piscataway. Noyes Publication. 27.

DORFAM R, Dorfman. Termal Spray Basics. WestBury, New York. Julio 2002.

96

ANEXOS

• ANEXO 1. PLANO DE DIMENSIONES DEL PORTAMUESTRAS

• ANEXO 2. PLANO DE DIMENSIONES DE LA PROBETA

• ANEXO 3. PLANO DE BLANCO (TiAlV)N.

97

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