Caracterización de recubrimientos de aluminio procesados por proyección fría (cold spray) para reparaciones aeronáuticas

Resumen

El uso de aleaciones de aluminio ha sido determinante en el desarrollo del sector del transporte y, específicamente, en el auge de la industria aeronáutica. Durante al menos 30 años, fueron los materiales con mayor porcentaje en peso utilizado en la fabricación de varios modelos de aviones comerciales Boeing, llegando a alcanzar entre el 70-80%, distribuido entre el fuselaje, las alas y otras zonas estructurales. En aeronaves militares su uso llegó a alcanzar el 50% del peso total (Mouritz, 2012). Actualmente la supremacía de las aleaciones de aluminio se ha visto superada por la irrupción de materiales novedosos y muy interesantes para la industria por sus características y propiedades únicas, como los polímeros reforzados con fibra de carbono. Sin embargo, a pesar de que la competencia se intensifica, el uso de estos materiales continúa siendo una apuesta segura por las ventajas que ofrece. Su atractivo combina el hecho de que son materiales muy ligeros, con buena resistencia mecánica y frente a la corrosión, requisitos imprescindibles en los aviones, donde se necesita disminuir el peso y que los materiales soporten condiciones mecánicas y ambientales severas. Unido a lo anterior, las aleaciones de Al presentan bajo coste de producción y fácil manipulación. Las aleaciones F357 y C355, basadas en sistemas Al-Si, se encuentran formando parte de zonas no estructurales de los aviones como cajas de cambio, carcasas o cubiertas, donde pueden aparecer daños provocados por desgaste mecánico que involucran la pérdida de material superficial y, por tanto, el deterioro progresivo de la pieza. Estos son más visibles en zonas de contacto íntimo entre componentes, uniones o diámetros internos que se encuentran en movimiento relativo. Problemas de este tipo también se han identificado, pero debido a procesos de naturaleza diferente, es el caso de fenómenos de erosión provocados por los impactos de partículas irregulares duras desplazadas en una fase móvil (líquido o gas) a alta velocidad. La degradación por corrosión es otro de los problemas que más pérdidas le supone a la industria aeronáutica, representa el 25% de las causas de fallos de componentes solo superada por daños provocados por procesos de fatiga. La corrosión electroquímica es un ataque químico desencadenado en el componente metálico, favorecido por la acción de un medio acuoso (por ejemplo, la humedad ambiental) donde puede haber presencia de iones agresivos. Las aleaciones de aluminio tienen buena capacidad para evitar los procesos de corrosión, debido a la capa de alúmina protectora que crece de manera natural en su superficie. Sin embargo, esta capa no es infalible. Se sabe que estos materiales son susceptibles de sufrir corrosión localizada por picaduras, una de las formas más agresivas y que más problemas puede causar. La formación y propagación de picaduras hacia el interior de los componentes de estas aleaciones, puede causar daños que pueden ser catastróficos si no se detectan a tiempo. En tiempos en los que la disponibilidad de recursos naturales es cada vez más limitada, con daños medioambientales irreparables inducidos por prácticas abusivas, es urgente actuar. Los altos costes de piezas utilizadas en aplicaciones aeronáuticas y la disponibilidad limitada de materias primas han favorecido el tránsito hacia la búsqueda de soluciones alternativas, más respetuosas con el medio ambiente. El deterioro de los componentes aeronáuticos durante su vida en servicio es inevitable. Sin embargo, su sustitución por otro nuevo debería valorarse y ser la última opción, siempre que la vía alternativa aporte seguridad. Las reparaciones dan una segunda oportunidad a las piezas dañadas, aumentando su vida útil y reduciendo, además, los costes que supone la sustitución y el impacto medioambiental. Sin embargo, el elemento reparado tiene que cumplir o superar los requisitos exigidos a la pieza original, garantizando el buen funcionamiento y la seguridad de la aeronave. Los métodos más extendidos en el campo de la reparación y mantenimiento de componentes aeronáuticos, aplicados a aleaciones ligeras, van desde técnicas de aporte por soldadura hasta métodos de proyección térmica, como la proyección por plasma o la proyección de alta velocidad. La generación de recubrimientos mediante proyección térmica se basa en el impacto continuo de partículas de polvo aceleradas a gran velocidad dentro de un flujo de gas. La mayoría de estas técnicas requieren el empleo de temperaturas muy elevadas y esto tiene su lado negativo, específicamente cuando se trabaja con aleaciones sensibles tanto a las altas temperaturas como al enfriamiento rápido en presencia de oxígeno, como es el caso de las aleaciones de aluminio. Al provocar la fusión del material aparecen problemas: como cambios de fase en la estructura del material depositado respecto al polvo de partida, tensiones residuales debido al enfriamiento rápido, que pueden provocar la aparición de grietas y que limitan el espesor de los recubrimientos. Además, la formación de óxidos y el alto grado de porosidad observados al utilizar estas técnicas pueden comprometer las propiedades mecánicas del material depositado y del componente en general. En este sentido, la tecnología de proyección fría (“Cold Spray”, CS) ha irrumpido con mucha fuerza, mostrando excelentes capacidades para solventar gran parte de estos problemas. Al pertenecer a la familia de la proyección térmica sus principios son similares, generación de recubrimientos mediante el impacto de partículas sólidas aceleradas a gran velocidad. Sin embargo, lo novedoso de CS radica en su efectividad para depositar material a temperaturas relativamente bajas sin llegar a superar su temperatura de fusión. Esto supuso un cambio revolucionario, puesto que abrió la puerta a la posibilidad de realizar tratamientos a componentes constituidos de aleaciones ligeras sensibles, disminuyendo los efectos negativos sobre sus propiedades. CS logra este objetivo induciendo mayor aporte cinético a las partículas y reduciendo la componente térmica. Al no provocar la fusión de los materiales, CS se considera una técnica de fabricación en estado sólido. El objetivo principal de esta investigación es evaluar las posibilidades de la tecnología CS para su uso en la reparación y mantenimiento de componentes aeronáuticos, constituidos por aleaciones de aluminio F357 y C355. Para lograr este objetivo se planteó, inicialmente, la optimización de los parámetros de proyección utilizando nitrógeno como gas de trabajo, con el fin de obtener recubrimientos de estas aleaciones con una calidad superior a los fabricados hasta el momento. Para ello se utilizaron valores de temperatura y presión superiores a los convencionales. Esto se analizó, por un lado, mediante la caracterización microestructural de los recubrimientos depositados partiendo de condiciones de procesado diferentes. Por otro lado, la posibilidad de utilizarlos en reparaciones reales se evaluó a partir de su resistencia frente a fenómenos de desgaste mecánico y su respuesta frente a fenómenos de corrosión, para comprobar si su comportamiento era similar o superaba a la respuesta de los componentes originales. La resistencia a fenómenos de desgaste mecánico se estudió mediante ensayos de contacto (punzón sobre disco), y, a partir de ensayos por chorro de partículas sólidas para dos ángulos de incidencia diferentes. La resistencia frente a la corrosión, por la acción de iones agresivos, se evaluó simulando un ambiente marino y mediante ensayos de polarización cíclica y ensayos de espectroscopia de impedancia electroquímica. Los recubrimientos objeto de estudio en esta investigación se fabricaron utilizando como materiales de partida las aleaciones de aluminio F357 y C355 en forma de partículas; y, se depositaron sobre sustratos de las mismas aleaciones. Para obtener los recubrimientos se utilizaron dos condiciones de proyección diferentes. La primera, siguiendo los parámetros estándar usados hasta el momento de iniciar la investigación para el tratamiento de estos materiales (condiciones convencionales). Además, con el objetivo de mejorar sus prestaciones, se empleó una segunda condición utilizando valores de temperatura y presión del gas de procesado superiores. En cuanto a la caracterización previa, para detectar posibles cambios en la microestructura de los recubrimientos respecto a los materiales de partida (partículas y sustratos), se utilizó la difracción de rayos x que aporta información sobre la composición estructural de los materiales. El análisis de la morfología y la composición química de la microestructura se realizó mediante microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido. Para una caracterización más completa también se realizaron medidas de microdureza y rugosidad superficial de los materiales. La caracterización tribológica se realizó mediante ensayos de laboratorio a escala macroscópica. En primer lugar, se realizaron ensayos de desgaste por contacto utilizando una configuración punzón sobre disco, pero utilizando dos tipos de movimiento distintos: desgaste por deslizamiento, o movimiento continuo, y desgaste por movimiento oscilante. Este último trata de simular condiciones de trabajo de algunos componentes que, en contacto con otras piezas puedan experimentar vibraciones. Con este mismo fin, se realizaron los ensayos utilizando dos temperaturas de trabajo distintas (temperatura ambiente y 180 °C). El estudio tribológico se complementó con ensayos de erosión por chorro de partículas utilizando alúmina como abrasivo. Se estudió el efecto de variar el ángulo de impacto de partículas en la degradación del material, mediante ensayos utilizando incidencia normal (90°) e incidencia angular (60°). Todos estos ensayos se realizaron a temperatura ambiente. La caracterización frente a procesos de corrosión también se realizó mediante dos métodos. Todos los ensayos se realizaron a temperatura ambiente, utilizando una celda convencional de tres electrodos y con una disolución de NaCl 3,5% en peso para simular el ambiente marino. Se realizaron ensayos potenciodinámicos de corriente continua aplicando un barrido de potenciales en el rango entre 0,1V por debajo del potencial de circuito abierto y hasta 1V superado este potencial en la rama anódica. Alcanzado este punto se invirtió la dirección de barrido para registrar la curva de polarización cíclica. A partir del trazado de estas curvas fue posible obtener información acerca de la susceptibilidad de los materiales para sufrir corrosión localizada por picadura y parámetros cinéticos como la velocidad de corrosión. Por otra parte, para los ensayos de espectroscopia de impedancias se aplicó una corriente alterna sinusoidal en el intervalo de frecuencias comprendido entre 10-2 a 105 Hz. Se midió la respuesta de los materiales durante un período de 360 horas de contacto con el medio agresivo. Los mecanismos de corrosión se discutieron a partir de los ajustes de los espectros de respuesta a modelos de circuitos eléctricos equivalentes. Los resultados de esta investigación mostraron, para las dos aleaciones estudiadas, una mejora significativa tanto a nivel microestructural como en las propiedades de los recubrimientos depositados utilizando las condiciones “no convencionales” de proyección. Se comprobó que, durante el proceso de proyección, los recubrimientos mantienen la composición y la microestructura del polvo de partida. Al depositar material aumentando la temperatura y presión del nitrógeno se obtuvieron recubrimientos de mayor espesor (~500 μm), sin signos apreciables de delaminación en la intercara recubrimiento-sustrato y con una reducción notable en la porosidad. El tratamiento térmico, por sus condiciones de aplicación (4 horas a 150°C en atmósfera de aire y posterior enfriamiento hasta temperatura ambiente fuera del horno) parece no haber modificado apreciablemente la microestructura y, por tanto, no se observaron mejoras significativas en las propiedades de los recubrimientos tratados. Sin embargo, se observaron pequeños indicios de mejoras en la cohesión entre algunas partículas en estos recubrimientos. Por otro lado, el proceso de anodizado se vio que sí aporta protección adicional frente a la corrosión, desplazando a los sistemas hacia potenciales más nobles y, en el caso del recubrimiento de la aleación F357, evitando fenómenos de corrosión localizada por picaduras. En relación a la caracterización tribológica, los resultados de los ensayos de punzón sobre disco dejaron claro que, el recubrimiento de la aleación C355, depositado según el estado del arte (T=350 °C, P=40 bar), presentó una resistencia frente al desgaste muy inferior a la del sustrato. Este comportamiento se mantuvo al realizar los ensayos utilizando ambos tipos de movimiento. En ambas aleaciones, los recubrimientos depositados con las condiciones novedosas (empleando mayores valores de temperatura y presión), fallan en su mayoría al ser ensayados empleando el movimiento continuo. Las condiciones de partida impuestas parecen ser excesivas para estas aleaciones (incluso para el material masivo), ya que durante el análisis de las superficies de desgaste y los restos de material eliminados se detectaron señales de un régimen de desgaste severo. Bajo condiciones de movimiento oscilante, por el contrario, los recubrimientos mejorados mostraron un comportamiento similar al del sustrato. Respecto a los ensayos de erosión, los recubrimientos depositados con las nuevas condiciones de proyección, vuelven a mostrar un comportamiento más cercano al observado en el sustrato. Para los dos ángulos de incidencia utilizados presentaron mayor resistencia que aquellos depositados con las condiciones convencionales, cuya tasa de erosión fue superior a la obtenida en el sustrato. Por último, en cuanto al comportamiento tribológico, ni el tratamiento térmico utilizado, ni el proceso de anodizado aportan mejoras significativas. Un comportamiento similar se obtuvo al realizar la caracterización frente a fenómenos de corrosión, de los recubrimientos en ambas aleaciones. Los ensayos potenciodinámicos en medio salino mostraron que, en el caso de la aleación C355, el recubrimiento depositado con las condiciones convencionales presentó menor resistencia frente a la corrosión que el recubrimiento mejorado. Por su parte, los recubrimientos obtenidos utilizando mayores valores de temperatura y presión presentaron un comportamiento muy parecido al observado en el sustrato (en ambas aleaciones). Los ensayos de corriente alterna, realizados de manera complementaria y en igualdad de condiciones que los ensayos de polarización cíclica, corroboraron este resultado. Los recubrimientos obtenidos con las nuevas condiciones de proyección incrementan su poder capacitivo y su resistencia a corrosión, en comparación con el recubrimiento convencional (en el caso de la aleación C355). Desde el punto de vista del comportamiento frente a corrosión, los resultados mostraron que el tratamiento térmico disminuye la resistencia del material, posiblemente por la difusión de elementos secundarios hacia los bordes de grano. Esto provoca un aumento en el número de zonas con diferencia de potencial aptas para que se produzca la disolución del material. En cuanto al anodizado se vio que, el grado de protección que aporta al material dependerá de un correcto saneado de la superficie previo a su aplicación. El recubrimiento anodizado de la aleación F357 se mantuvo protegido durante 360 horas de ensayo, mientras que el de la aleación C355 solo mejoró la protección, respecto al resto de condiciones, durante las primeras 4 horas. Los valores de rugosidad superficial medidos en ambos recubrimientos explican este comportamiento. En conclusión, durante esta investigación se demostró que, la calidad y las prestaciones de los recubrimientos de las aleaciones F357 y C355 depositados por CS, mejoran utilizando valores de temperatura y presión del gas de trabajo superiores a las utilizadas como referencia (para aleaciones de aluminio) hasta el momento en que se inició este estudio. Desde el punto de vista de la resistencia frente a procesos de degradación mecánica, y teniendo en cuenta los parámetros utilizados en nuestros ensayos, los recubrimientos mejorados emulan el comportamiento del material masivo sobre todo bajo condiciones de desgaste por movimientos oscilantes y frente a fenómenos de erosión por impactos de partículas duras. Frente a fenómenos de degradación por procesos de corrosión también se logró incrementar la resistencia de estos materiales llegando alcanzar un comportamiento similar al mostrado por los sustratos.