Título: Nitruración láser en una aleación TiAl. Caracterización microestructural y estudio tribológico sobre las capas obtenidas.

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1 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.

2 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.

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El material sustrato utilizado en este estudio ha sido una aleación ɣ Ti-Al: Ti-44Al- 8Nb-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 TE- 99. 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

4 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 3,11 0,67 0,92 0,31 0,27 0,57 0,19 0,18 Rz (m) 72,89 61,65 14,49 15,65 3,89 6,11 2,38 1,72 4,15 1,30 1,44 Espesor de la capa TiN (m) Profundidad de la fusión (m) ,5 3,1 5,4 2 1,5 2, 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.

5 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 N 2 (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.

6 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. friction coefficient 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Test time (s) TiAl PVD laser T61 laser T57 Figura 6. Coeficiente de rozamiento frente a tiempo para los tratamientos. Wear ( m) 1400 TiAl 1200 PVD 1000 Laser T Laser T Test time (s) 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.

7 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.

8 Figuras 9 y 10. Figuras 11 y 12. Figuras 13 y 14.