(1) Fundación CETENASA, Polígono Mocholí, Nº 4, 31100 Noaín (Navarra). (2) UPNA, Campus de Arrosadía, 31006, Pamplona, (Navarra). (3) PCB, El Carmen, s/n, 48901, Baracaldo (Vizcaya). (4) LORTEK, La Granja Auzoa, z.g., 20240 Ordizia (Guipúzcoa).

COMPATIBILIDAD Y PROPIEDADES DE UNA ALEACIÓN INTERMETÁLICA

TI-AL CON TRATAMIENTOS SUPERFICIALES POR LÁSER DESARROLLADOS

PARA LA INDUSTRIA DE AUTOMOCIÓN.

F. Zubiri (1), J.M Berrueta (1), A. Cortiella (1), J.L. Bocos (1), F. Garciandia (1),

M.G. Pérez (2), N. R. Harlan (3), y F. Zapiráin (4).

RESUMEN:

En este trabajo se recogen resultados obtenidos en el desarrollo de piezas ligeras

fabricadas con intermetálicos Ti-Al. En el caso de la aleación de Ti-Al seleccionada

(Ti-Al-Nb-B), varios han sido los puntos a desarrollar: definición de la aleación, ruta

óptima de fabricación (buscando la máxima productividad y economía, junto a una

buena calidad de las piezas) y el proceso de tratamiento superficial por láser

(buscando buenas propiedades de desgaste en caliente y una buena resistencia a la

oxidación). En el trabajo se detalla la aleación utilizada, sus procesos de

fabricación, las estructuras obtenidas, los recubrimientos utilizados y la respuesta

de dicha aleación al recubrimiento mediante su caracterización, tanto desde el

punto de vista metalúrgico como de comportamiento frente a desgaste. Los

resultados de este trabajo se han trasladado a prototipos de las futuras piezas de

motor.

ABSTRACT:

This work details the results obtained in relation to the development of intermetallic

Ti-Al (Ti-Al-Nb-B) light pieces. Different aspects have been take into account:

definition of the alloy, the best processing route (good productivity, low cost and

get high quality pieces) and surface treatment employing a diode laser (good

properties to hot wearing and corrosion resistant). In the present work have been

reported the studied alloy characteristics, obtained microstructures, analysed

coatings and the answer of the intermetallic alloy to the coating, considering the

points of view metallurgic and the resistance to wearing. The results of this work

have been used in prototypes of future pieces in engines.

INTRODUCCIÓN

El trabajo aquí expuesto está enmarcado en la línea de desarrollo de materiales

ligeros con buenas propiedades en servicio de cara a ser utilizados para reducción

de peso en diferentes componentes para el sector 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 [1], debido a su alta relación

resistencia / peso [2] y a su resistencia a la corrosión [3].

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 [4,5]. 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 los requerimientos especificados para piezas de motor de automóvil. La

aleación titanio-aluminio fue seleccionada como sustituto del acero por sus

excelentes propiedades a alta temperatura [6-10]. La capa de nitruración fue

seleccionada con el fin de mejorar significativamente la respuesta a desgaste en las

condiciones de trabajo en servicio [11]. 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 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 [12-17], 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 o recubierto con una capa

nitrurada por PVD.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El material sustrato utilizado en este estudio ha sido una aleación γ Ti-Al:

Ti-44Al-8Nb-1B. El análisis microestructural del material de partida reveló una

estructura “γ + 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. El gas de

nitruración (nitrógeno o mezcla de nitrógeno y argón), fue suministrado mediante

una boquilla coaxial, 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 con un equipo Perthen 2046720702. 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 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 (µm) 16,46 13,96 2,64 3,11 0,67 0,92 0,31 0,27 0,57 0,19 0,18

Rz (µm) 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 (µm)

15 12 6 1,5 3,1 5,4 2 1,5 2,5 1 1

Profundidad de la fusión (µm)

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.

Figura 1. Ejemplos de aspectos superficiales en muestras nitruradas por

láser.

Figura 2. Estructura dendrítica en una muestra nitrurada con alta densidad

de energía.

Figura 3. Micrografías mostrando diferencias entre proceso en atmósfera

de N2 (T43) y diluida de N2 y Ar (T45).

La microscopía electrónica ha revelado la misma estructura ya observada en el

óptico (Figura 4). El “mapping” de los diferentes elementos realizado por

T33 T57 T61

T33

T43 T45

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.

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 desgaste total para las diferentes muestras.

Figura 6. Coeficiente de rozamiento frente a tiempo para los diferentes

tratamientos y material base.

Figura 7. Desgaste total frente a tiempo para los tratamientos estudiados y

material base.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 2000 4000 6000 8000Test tim e (s)

frict

ion

coef

ficie

nt TiAl

PVDlaser T61laser T57

0200400600800

100012001400

500 2500 4500 6500 8500 10500Test time (s)

Wea

r (µm

)

TiAlPVDLaser T61Laser T57

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 la 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

nitrurada por láser casi no se aprecian las trazas del ensayo.

Figura 8. Macrografías de la superficie de las muestras tras los ensayos.

4.- CONCLUSIONES.

1.- La típica desventaja de las aleaciones de Ti frente a desgaste se ha superado

mediante la realización de una capa superficial resistente al desgaste producida por

nitruración láser. Tras la optimización del proceso se ha obtenido una capa

homogénea, libre de grietas, con una rugosidad superficial de Ra< 0,4 µm y con

una importante mejora frente a desgaste obtenida.

2.- El precalentamiento a 500ºC elimina totalmente la producción de grietas

durante la nitruración láser.

3.- Una boquilla coaxial para el suministro de gas asegura la absorción correcta del

N2 por el baño fundido y no favorece la formación de grietas.

4.- Una densidad de energía de 0,25 kJ/cm2, y un solape de barridos del 75%

producen una rugosidad superficial inferior a Ra = 0,4 µm. Las atmósferas diluidas

(N2+Ar) no han mejorado la calidad superficial.

5.- Los ensayos de desgaste simulando condiciones de servicio han mostrado la

mejora frente a desgaste introducida (menor coeficiente de rozamiento y menor

desgaste) en la muestra nitrurada por láser de referencia “T61”.

6.- El material ligero resistente al desgaste ha sido desarrollado para cumplir con

los requerimientos para un componente específico de automoción, y con el fin de

sustituir a un acero.

TiAl T-PVD T61

AGRADECIMIENTOS.

A la Universidad de Birmingham por el suministro de material y colaboración.

Este trabajo está enmarcado en un proyecto GROWTH, cuya referencia es: GRDI-

1999-10625.

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