Título: “Nitruración láser en una aleación TiAl. Caracterización

Título: “Nitruración láser en una aleación TiAl. Caracterización
microestructural y estudio tribológico sobre las capas obtenidas”.
Autores: F. Zubiri (1), F. Garciandía (1), N. Harlan (2), G. Pérez (3), F. Zapirain (1).
(1) ASOCIACIÓN LORTEK.
(2) PRECICAST.
(3) Universidad Pública de Navarra.
Resumen:
Este trabajo se enmarca dentro de un estudio para el desarrollo de la aplicación a
elevada temperatura de aleaciones intermetálicas titanio / aluminio. La utilización de
nuevas rutas de fabricación, junto con recubrimientos superficiales apropiados, han
logrado superar limitaciones térmicas y tribológicas. La aleación seleccionada en este
trabajo ha sido una aleación intermetálica TiAl. Los tratamientos superficiales aplicados
a dicha aleación han sido la nitruración por deposición física de vapor (PVD) y
nitruración láser.
El objetivo de este trabajo ha sido el de examinar la calidad de las capas nitruradas
obtenidas por láser (para diferentes parámetros de proceso y con la correspondiente
caracterización microestructural), así como el comportamiento a fricción de estos
materiales, con y sin tratamiento superficial, simulando en la medida de lo posible, las
condiciones de trabajo. Con estos ensayos se ha tratado de realizar una primera
selección para su posterior examen en banco de ensayos. No existe un método de
análisis de resistencia al desgaste estandarizado, pero gran cantidad de autores han
utilizado con éxito la configuración “pin-on-disc” o similares –a ciertas temperaturaspara estudiar el comportamiento a fricción de este tipo de materiales. Una de las
características exigidas más importantes para la capa nitrurada, con el fin de asegurar un
bajo desgaste, fue la baja rugosidad superficial (Ra), idealmente por debajo de 0,4 µm.
Las operaciones post-nitruración son caras y fueron eliminadas intencionadamente.
Otros requisitos solicitados incluyeron la ausencia de grietas, homogeneidad,
repetitividad y un corto tiempo de procesado láser. Finalmente, la respuesta de las
muestras nitruradas por láser fue comparada a las obtenidas en el substrato (titanioaluminio) sin recubrimiento o con un recubrimiento formado por una capa nitrurada por
PVD.
INTRODUCCIÓN
El trabajo aquí expuesto está enmarcado en una línea de desarrollo de materiales
ligeros con buenas propiedades en servicio y de cara a ser utilizados para reducción de
pesos en diferentes componentes (en este caso era de motor de automoción). Para la
utilización a alta temperatura en piezas ligeras que posean alta resistencia, las aleaciones
de titanio son una alternativa atractiva al acero, debido a su alta relación resistencia /
peso y a su resistencia a la corrosión.
Sin embargo, en aplicaciones que requieran una alta resistencia a desgaste, las
aleaciones de titanio suponen una desventaja debido a su pobre comportamiento
tribológico. Una técnica común para mejorar la respuesta al desgaste de las aleaciones
de titanio consiste en nitrurar su superficie, utilizando deposición química o en fase
vapor, mediante implantación iónica o refusión superficial en atmósfera de nitrógeno.
En este trabajo se ha estudiado la nitruración láser como método rápido para crear una
superficie resistente al desgaste en una aleación intermetálica titanio-aluminio.
Los objetivos de este trabajo fueron claramente establecidos con el fin de cumplir con
requerimientos especificados para ciertas piezas especiales de motor de automóvil. La
aleación titanio-aluminio fue seleccionada como sustituta del acero por sus propiedades
a alta temperatura. La capa de nitruración fue seleccionada con el fin de mejorar
significativamente la respuesta a desgaste en las condiciones de trabajo en servicio. Una
de las características exigidas más importantes para la capa nitrurada, con el fin de
asegurar un bajo desgaste, fue la baja rugosidad superficial (Ra), idealmente por debajo
de 0,4 µm. Las operaciones de mecanizado post-nitruración son caras y fueron
eliminadas intencionadamente (además del poco espesor de las capas). Otros requisitos
solicitados fueron la ausencia de grietas, homogeneidad, reproducibilidad y un corto
tiempo de procesado láser.
Con el fin de obtener una superficie nitrurada óptima, se utilizaron diferentes
acercamientos basados en una búsqueda documental sobre tratamientos similares en
aleaciones de titanio. Con el fin de evitar la presencia de grietas se ha precalentado el
substrato], se ha utilizado una atmósfera específica y una optimización de parámetros de
barrido del haz láser. En este trabajo todas estas variantes se han utilizado con el fin de
obtener el mejor resultado final sobre la aplicación seleccionada.
Una vez que se obtuvo la capa nitrurada óptima, las piezas recubiertas fueron
ensayadas a desgaste, a temperatura, con el fin de cuantificar su comportamiento a
desgaste. La respuesta de las muestras nitruradas por láser fue comparada a las
obtenidas en el substrato (titanio-aluminio) sin recubrir y recubierto con una capa
nitrurada por PVD.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El material sustrato utilizado en este estudio ha sido una aleación ɣTi-Al: Ti-44Al8Nb-1B. El análisis microestructural del material de partida reveló una estructura “ɣ +
α2” , totalmente laminar.
Para realizar la nitruración de las muestras se utilizó un láser de diodo de 3 KW, con
una longitud de onda entre los 800 y los 900 nm. El láser de diodo tiene la ventaja de la
posibilidad de emplear un haz de luz de forma rectangular y densidad uniforme, en este
caso de 1 mm x 4 mm, lo que permite barrer grandes superficies de forma rápida y
eficiente. La distancia focal se mantuvo constante durante el proceso. El gas de
nitruración (nitrógeno o mezcla de nitrógeno y argón), fue suministrado mediante una
boquilla coaxial, y especialmente diseñada para proveer de la atmósfera adecuada a la
zona fundida situada bajo la influencia del rayo láser.
Fue necesario precalentar las piezas antes de ser sometidas al tratamiento de
nitruración láser con el fin de evitar la aparición de grietas. Se realizaron diferentes
ensayos variando la configuración de la boquilla, diferentes grados de superposición de
barridos, mezcla de gases, velocidad de barrido y potencia del láser, buscando la
optimización del proceso de nitruración en el material y pieza seleccionados.
A las muestras nitruradas por láser se les realizaron medidas de rugosidad superficial.
También se realizó un análisis metalográfico de las capas obtenidas (microscopía óptica
y electrónica) sobre dichas muestras. Para el análisis del nitrógeno en la capa se utilizó
también la espectroscopia EDS (Energy Dispersive Spectroscopy).
Los ensayos de desgaste fueron realizados en una máquina de desgaste “PLINT TE99”. Se ensayaron muestras nitruradas por láser, por PVD y sin nitrurar. Las
condiciones de ensayo fueron seleccionadas de tal forma que se pudieran acercar lo más
posible a las condiciones en servicio de las piezas; posteriormente, prototipos de estas
piezas han sido ensayados en motores experimentales. El coeficiente de rozamiento fue
determinado por la relación de las fuerzas de fricción y normal. El desgaste total del
sistema fue medido con un transductor, conectado al brazo de carga del sistema. El
desgaste fue también determinado por las diferencias de peso.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
a) Optimización de parámetros.
Con el fin de obtener un equilibrio entre las diferentes características exigidas en las
capas nitruradas, se realizaron diferentes ensayos variando parámetros que afectan a la
calidad de dichas capas. El principal objetivo fue buscar un equilibrio entre la
profundidad de la capa y su rugosidad superficial, buscando la eliminación de
mecanizados posteriores. Teniendo en cuenta que era necesario obtener una superficie
suave para satisfacer los requerimientos de desgaste y la eliminación de mecanizado
posterior, la rugosidad fue un factor determinante en los ensayos experimentales. Una
vez obtenida una Ra < 0,4 µm, los parámetros se ajustaron para aumentar la profundidad
de la capa. En la Tabla I se muestran los valores de rugosidad superficial y profundidad
de capa en algunas de las muestras ensayadas.
Tabla I.
Muestra
T33
T34
T43
T45
T52
T53
T57
T58
T59
T60
T61
Ra ( m)
16,46 13,96
2,64
Rz ( m)
72,89 61,65 14,49 15,65 3,89 6,11 2,38 1,72 4,15 1,30 1,44
3,11 0,67 0,92 0,31 0,27 0,57 0,19 0,18
Espesor de la
capa TiN ( m)
15
12
6
1,5
3,1
5,4
2
1,5
2,5
1
1
Profundidad de la
fusión ( m)
320
400
100
100
20
20
70
60
80
45
30
En las pruebas realizadas, la muestra T61 con una densidad energía de 0,25 kJ/cm2 y
un solape entre cordones sucesivos del 75 %, presentó el mejor equilibrio entre
rugosidad superficial y homogeneidad; mientras que en otras, por ejemplo la T52 y T53,
se emplearon densidades de energía superiores (0,38 kJ/cm2), logrando aumentar la
profundidad de la capa nitrurada de TiN a costa de la obtención de un peor equilibrio
entre rugosidad superficial y homogeneidad.
b) Caracterización de la capa nitrurada.
Los ensayos de microdureza de las capas nitruradas más gruesas reflejaron valores de
hasta 1200 HV; mientras que en capas más finas se obtuvieron valores de hasta 600 HV.
En estas últimas se presentaron problemas de medida de microdureza por lo que se optó
por el ensayo de desgaste como método final para juzgar la efectividad de las capas. En
la Figura 1 se muestran macrografías de algunas de las muestras nitruradas por láser. El
aspecto de la superficie es función de los parámetros de proceso utilizados.
Observadas en el microscopio, las muestras con mayor densidad de energía y mayor
rugosidad superficial presentan una microestructura compuesta por la capa blanca en la
superficie y una estructura dendrítica subyacente (Figura 2). El procesado láser en un
medio más diluido decrece el espesor de la capa blanca exterior, así como la extensión
de la zona afectada térmicamente, tal y como se puede apreciar en la Figura 3.
T33
T57
T61
Figura 1. Ejemplos de aspectos superficiales en muestras nitruradas por láser.
T33
Figura 2. Estructura dendrítica en una muestra nitrurada con alta densidad de energía.
T43
T45
Figura 3. Micrografías mostrando diferencias entre proceso en atmósfera de N2 (T43) y diluida
(T45).
La microscopía electrónica ha revelado la misma estructura ya observada en el óptico
(Figura 4). El “mapping” de los diferentes elementos realizado por espectroscopia EDS,
Figura 5, señaló la presencia de nitrógeno en la capa superficial mostrada de la Figura 4.
Figuras 4 y 5. Micrografía SEM transversal de capa nitrurada y “mapping” de la capa anterior
(N2, Al, Nb, Ti).
c) Ensayos de desgaste.
Los valores iniciales de rugosidad de las muestras ensayadas, fueron los que siguen
(Ra): Ti-Al sin recubrir: 0,07; con PVD: 0,31; muestra “T57”: 0,48; “T61”: 0,27.
friction coefficient
Durante los ensayos se ha medido el desgaste total y el coeficiente de rozamiento. Se
han observado diferentes comportamientos del Ti-Al, sin tratamiento o con cada uno de
los dos tratamientos superficiales. En las Figuras 6 y 7 se muestran el coeficiente de
rozamiento y el desgaste total para las diferentes muestras.
TiAl
0,5
PVD
0,4
laser T61
0,3
laser T57
0,2
0,1
0
0
2000
4000
6000
8000
Test time (s)
Wear (m)
Figura 6. Coeficiente de rozamiento frente a tiempo para los tratamientos.
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
500
TiAl
PVD
Laser T61
Laser T57
2500
4500
6500
Test time (s)
8500
10500
Figura 7. Desgaste total frente a tiempo para los tratamientos estudiados.
En el caso de la capa nitrurada por PVD el desgaste sufrido fue el máximo que puede
ser medido por la máquina de desgaste y el ensayo tuvo que ser parado. El coeficiente
de rozamiento más bajo y el menor desgaste se han obtenido en la muestra nitrurada por
láser de referencia “T61”. Las observaciones en variaciones de peso coinciden con las
medidas de desgaste medidas durante el ensayo, siendo la muestra con menor variación
en peso también la “T61”. En el caso de la muestra nitrurada por PVD, la variación en
peso fue muy superior a la observada en las otras. Algunas de las muestras ensayadas se
presentan en la Figura 8,.pudiéndose apreciar los diferentes niveles de desgaste en las
muestras y sobre todo, que en la muestra nitrurada por láser casi no se aprecian las
trazas del ensayo.
TiAl
T-PVD
T61
Figura 8. Macrografías de la superficie de las muestras tras los ensayos.
d) Aplicación en prototipos.
Una vez concluída la caracterización sobre las probetas nitruradas por laser y obtenidos los ciclos de
proceso óptimos, se realizó la nitruración láser experimental sobre varias series de prototipos de válvulas.
En las fotografías correspondientes a las figuras 9, 10 y 11, se muestran diferentes detalles de la
instalación diseñada y desarrollada para la realización del tratamiento termoiónico sobre los prototipos
comentados. En la figura 12, se muestra un detalle de la superficie obtenida (con nitruración láser) en una
de estas piezas. Algunos de estos prototipos fueron, también, analizados microscópicamente (en la figura
13 puede apreciarse el típico espectro –EDS- obtenido en una de las capas nitruradas por láser).
Finalmente, cabe señalar que varias partidas de estas piezas fueron fabricadas para ser ensayadas en un
banco de pruebas experimental. En la figura 14 se muestra una de estas series de válvulas prototipo
nitruradas por láser.
CONCLUSIONES.
El inconveniente de las aleaciones de titanio –su pobre comportamiento tribológico- ha sido
superado, en esta aplicación, mediante la obtención de una capa superficial resistente al desgaste a través
la nitruración por tecnología láser. Una vez optimizado el proceso se obtiene una superficie dorada,
homogénea, libre de defectos –grietas- y con una rugosidad de (Ra) < 0.4, obteniéndose, además, una
mejora muy significativa en su comportamiento frente a desgaste.
Rugosidad superficial: un valor bajo de densidad de energía, de 0.25 kJ/cm2, y un solape del 75%,
producen una rugosidad superficial inferior a Ra=0.4 µm. Atmósferas más o menos diluídas no han
influído significativamente sobre la calidad del acabado superficial.
Desgaste: Los ensayos de desgaste, con la utilización de parámetros simulativos de las condiciones
de servicio han mostrado el incremento obtenido en lo que a resistencia al desgaste se refiere (el menor
coeficiente de fricción y el menor desgaste total) de la muestra nitrurada por láser, de referencia “T61”.
El coeficiente de fricción ha alcanzado un valor estable de 0,13 y la pérdida total de peso fue sólo de 0.02
mg; no se han observado síntomas de desagste adhesivo.
El componente ligero desarrollado en el proyecto ha cumplido los requerimientos del componente
original y se ha considerado como componente alternativo (a la pieza fabricada con acero para válvulas).
Para cumplir con las exigencias del fabricante se han fabricado varias series de piezas con el fin de ser
ensayadas en bancos de pruebas y motor.
Figuras 9 y 10.
Figuras 11 y 12.
Figuras 13 y 14.