Pretratamientos superficiales de aleaciones de titanio para uniones adhesivas estructurales de estructuras aeroespaciales híbridas Ti6Al4V / CFRC

Résumé

La sustitución progresiva de materiales metálicos por materiales compuestos reforzados con fibra de carbono (Carbon Fiber Reinforced Composites, CFRC) en estructuras de aviones comerciales, también ha conllevado a la necesidad de rediseñar las estructuras híbridas metal / CFRC. En este campo, el titanio y sus aleaciones han adquirido una gran importancia, ya que presentan ventajosas propiedades como baja densidad, óptimas propiedades mecánicas y alta resistencia a temperaturas elevadas y corrosión. Hoy en día, el principal proceso de unión para estructuras híbridas metal / CFRC sigue siendo el remachado mecánico. Sin embargo, además de los daños térmicos y mecánicos intrínsecos al proceso de remachado, los materiales compuestos muestran una alta sensibilidad a todo tipo de concentradores de tensiones mecánicas. Para solventar esta problemática, las uniones adhesivas son una óptima solución. Estas presentan notables ventajas sobre las uniones mecánicas, abarcando tanto aspectos como el reparto de cargas y tensiones en la estructura, como los relacionados con corrosión. El proceso de adhesión es muy complejo y depende en gran medida de la preparación de las superficies de los adherentes. Los requisitos básicos que se deben seguir para un tratamiento superficial eficaz son los que permiten generar una rugosidad superficial que proporcione un aumento del área disponible para la unión química, así como la creación de topografías donde el adhesivo pueda penetrar y enclavarse. Además, una unión adhesiva siempre requiere una óptima adsorción y contacto entre el adhesivo y el adherente, proporcionado por una adecuada energía/tensión superficial y humectabilidad. En la literatura se tratan una gran variedad de tratamientos superficiales (mecánicos, químicos y electroquímicos, entre otros) para aleaciones de titanio, que modifican el sustrato en diversas formas. Entre estos, los procesos de anodizado de aleaciones de titanio se distinguen ya que permiten adaptar la microestructura, el espesor y la composición química de la capa de óxido superficial. A escala industrial, el anodizado en ácido crómico (CAA) ha sido el utilizado habitualmente, ya que logra los mejores resultados en términos de adhesión y durabilidad de las uniones adhesivas de titanio. Sin embargo, la toxicidad y carcinogenicidad del Cr (VI) no lo hacen sostenible y obliga a buscar alternativas menos nocivas. En este contexto, el anodizado NaTESi presenta una potencial alternativa, dadas las ventajosas características del óxido de titanio generado. Por todo ello, en la presente tesis se ha buscado caracterizar diferentes tratamientos superficiales de titanio, para la evaluación de la adherencia y durabilidad que desarrollan en una unión adhesiva, además de la estabilidad del óxido superficial generado. Otro punto clave ha sido desarrollar ensayos de adherencia y durabilidad de uniones adhesivas que consigan discriminar entre los diferentes tratamientos superficiales, además de ser representativos de los medios a los que se ve expuesta una aeronave en servicio. En este sentido la literatura es escasa más allá del uso de los medios tradicionales de envejecimiento de probetas, en atmosferas de humedad y temperatura. Por ello, destacar la novedad que aporta la presente tesis doctoral en cuanto a la introducción de medios de envejecimiento de mayor complejidad. Los resultados han mostrado la relación clave entre adhesión y la nanoestructura de la superficie, en el diseño de superficies para uniones adhesivas. Esta es vital junto con otros factores como aportar una macrorugosidad que aumente el área efectiva de enlace sustrato/adhesivo, una adecuada tensión superficial y composición química compatible. También se ha confirmado al anodizado NaTESi, como una clara alternativa al anodizado en ácido crómico, en el desarrollo de uniones adhesivas de sustratos Ti6Al4V. Este ofrece unos resultados análogos al CAA en todos los ensayos llevados a cabo.