Durabilidad de estructuras y componentes mediante proyección térmica en frío

Resumen

El principal constituyente de las estructuras metálicas en la ingeniería industrial y civil es el acero al carbono [1–3]. El uso de este material se debe a las prestaciones que ofrece, entre las que destacan una alta resistencia mecánica y dureza, aunque en contrapartida se observa una disminución de sus propiedades de ductilidad, soldabilidad y alargamiento a rotura [4,5]. Estas propiedades lo hacen atractivo para su fabricación de diferentes componentes que formen parte de estructuras como pueden ser puentes [6], torres eólicas de generación eléctrica [6], fabricación de componentes aeronáuticos o ferroviarios [7,8]. Uno de los motivos que generan fallos en los componentes de estas estructuras metálicas está relacionado con el desgaste [9]. Este desgaste genera un deterioro progresivo de los materiales y afecta a su vida útil en servicio. En concreto en las estructuras metálicas, la exposición frente a ambientes marinos genera fundamentalmente un desgaste corrosivo. Un claro ejemplo de este fenómeno se observa en las estructuras “offshore” [10] o en puentes como el Forth Rail Bridge situado en Escocia [11]. Estas superficies corroídas desembocan en la aparición de grietas, disminuyendo su resistencia a fatiga [12,13]. Por otro lado, en los puentes de carretera se produce un desgaste por fatiga debido a la aplicación reiterada de cargas externas como consecuencia del tránsito de vehículos, que genera también la aparición de grietas que pueden dar lugar a un fallo del componente [14]. Por último, hay que destacar el desgaste erosivo como consecuencia del impacto de partículas sobre el material [15]. Frente al deterioro de estos componentes se plantean distintas alternativas: el reemplazo del componente, teniendo en cuenta que esto conlleva un impacto medioambiental y un alto coste económico; o la reparación de la zona dañada del material, aumentando la vida útil del componente, reduciendo costes y su degradación en el medio ambiente. Además, estas técnicas se pueden realizar “in situ”, lo cual conlleva a una reducción de costes [16]. La implementación de estas técnicas de reparación debe garantizar que las piezas reparadas tengan un comportamiento similar e incluso mejor que el material de partida. Tradicionalmente en la ingeniería industrial y civil inicialmente se utilizaba la soldadura, aunque con el avance de la tecnología se ha sustituido por técnicas de proyección térmica [17–22]. Estas técnicas de proyección se caracterizan porque el recubrimiento se forma como consecuencia del apilamiento de partículas, las cuales impactan sobre la superficie produciéndose un fusión total o parcial del polvo de partida [23,24]. El inconveniente que presentan estas técnicas de proyección a altas temperaturas junto con la soldadura es que la temperatura de trabajo es superior a su punto de fusión, por lo que el recubrimiento experimenta cambios de microestructura, se produce la aparición de óxidos y esto da lugar a una pérdida de las propiedades. Por tanto, para solventar los problemas que ocasionaban las técnicas convencionales se ha planteado una tecnología novedosa denominada proyección térmica en frío (“Cold Spray”, CS). En esta tecnología las temperaturas de trabajo son inferiores al punto de fusión del material, reduciendo los efectos negativos característicos de emplear altas temperaturas [23–25]. El proceso de deposición por CS se realiza en estado sólido basándose en un mecanismo de unión que se produce mediante un anclaje mecánico por deformación plástica [26]. Al proyectar con temperaturas por debajo del punto de fusión, no existe un cambio de fases microestructurales, evitándose la formación de óxidos y disminuyéndose las tensiones residuales que se generan por diferencias térmicas entre el sustrato y el polvo de partida. La adhesión de las partículas se produce cuando alcanzan una velocidad crítica, que se define como el valor umbral que debe superar la velocidad de la partícula para que se produzca la adhesión [26,27]. El objetivo principal de esta investigación es evaluar la posibilidad de implementar la técnica de CS en la reparación y mantenimiento de los componentes metálicos fabricados con acero al carbono. Para alcanzar este objetivo, en primer lugar, se realiza una optimización de los parámetros de proyección, con la finalidad de obtener recubrimientos que presenten un comportamiento similar o mejorado respecto al material a reparar. Los recubrimientos se proyectaron empleando temperaturas y presiones superiores a las convencionales, es decir, aquellas que habían sido estudiadas hasta el inicio de tesis. La optimización se realiza en función de una caracterización microestructural y mecánica, además, de la evaluación de las reparaciones en situaciones próximas a las de servicio a través de la evaluación de resistencia frente al desgaste mecánico. Los recubrimientos que se utilizan en este trabajo de investigación se fabrican a partir de polvo de acero inoxidable 316L, se aplica este tipo de material para evitar los fenómenos de corrosión que están presentes en la mayoría de las estructuras metálicas. Se utiliza nitrógeno como gas propulsante, evaluándose la temperatura y presión del gas propulsante. Respecto a la caracterización microestructural, la detección de posibles cambios en la microestructura se determinó mediante difracción de rayos X. Por otro lado, la morfología y composición química de los distintos materiales se realiza mediante microscopía óptica y electrónica, así como microanálisis de Rayos X. La caracterización mecánica de los recubrimientos se determina a partir de ensayos de nanoindentación instrumentada, utilizando distintos tipos de indentadores. El objetivo de estos ensayos se centra en determinar las propiedades mecánicas como son la dureza y el módulo elástico. Además, se realizan curvas tensión deformación para analizar el comportamiento elastoplástico para las distintas condiciones de proyección. Además, se evalúa la influencia de la cantidad de defectos presentes en los recubrimientos sobre la microdureza. El estudio del comportamiento tribológico se realiza a escala microscópica y macroscópica. En el primer caso, se determinó la resistencia a desgaste en ensayos de rayado mediante punta de diamante Berkovich. Y en el segundo caso, se analiza la respuesta tribológica del recubrimiento mediante el impacto de un chorro de partículas. Además, se propone un modelo de elementos finitos para predecir la influencia del ángulo de incidencia respecto a la cantidad de material eliminado durante el proceso de erosión. Los resultados de esta investigación mostraron que a nivel microestructural existe una mejora respecto a las condiciones convencionales. Además, se verifica que durante el proceso de proyección no existe cambio microestructural. El incremento de la temperatura y presión genera recubrimientos más compactos caracterizados por una disminución de la cantidad de defectos presentes en los recubrimientos y una mejora de la cohesión entre las partículas. Respecto a las propiedades mecánicas, la dureza asintótica no muestra diferencias significativas en relación con los parámetros de proyección. Sin embargo, se observó una influencia de la cantidad de defectos sobre los ensayos de microdureza realizados sobre las condiciones de proyección. La respuesta tribológica en los ensayos de micro-rayado muestra tasas de desgaste inferiores a los materiales masivos, a excepción de la condición de 1100ᵒC y 50 bares. A esta temperatura de proyección se observan grietas a lo largo del surco residual, que son más destacadas para la condición de 50 bares. A nivel macroscópico, las tasas de erosión para incidencia angular (60ᵒ) muestran valores superiores a incidencia normal (90ᵒ), además se observa deformación plástica muy localizada en la superficie de la huella de erosión. El modelo de elementos finitos propuesto para simular el proceso de erosión desarrolla una predicción correcta del proceso para aquellos recubrimientos que presenta una pequeña cantidad de defectos. En conclusión, el estudio realizado demuestra que la calidad y prestaciones de los recubrimientos mejoran con la utilización de temperaturas y presiones de gas más elevados con respecto a las convencionales. Desde un punto de vista de la resistencia frente a la degradación mecánica, los recubrimientos muestran un comportamiento similar o incluso mejor en determinadas condiciones de proyección. Por tanto, la técnica CS supone una buena alternativa para la reparación de estos componentes.