Estudio de la reactividad a alta temperatura de aleaciones ligeras sobre recubrimientos cerámicos

Abstract

La interacció entre metalls fosos i les superfícies de materials ceràmics o metàl·lics és protagonista en diversos processos de fabricació, com ara la injecció d'aliatges lleugers, la foneria de ferro o la síntesi de materials compostos metall-ceràmics (MMC, Metall Matrix Composites). Aquesta interacció es tradueix en un fenomen de mullat en major o menor mesura de la superfície, fet que es pot modular mitjançant l'aplicació de tractaments superficials. El procés d'injecció d'aliatges d'alumini és probablement un dels processos amb metalls fosos amb més impacte industrial. En el present treball s'han estudiat experimentalment el procés de mullat per Al9Si3Cu i alumini pur fosos sobre mostres d'acer recobertes utilitzant el mètode de la gota jacent en buit en un equip d'angle de contacte dissenyat i construït expressament per a aquest projecte. D'una banda s'han assajat recobriments de capa prima dipositats per la tècnica MS-PVD (Magnetron Sputtering Physical Vapor Deposition) o HiPIMS-PVD (High Power Impulse Magnetron Sputtering) de TaN, TiB2, TiN, (Ti,Al)N, MoN i DLC (CrN) . D'altra banda, s'han utilitzat recobriments gruixuts dipositats per HVOF (High Velocity Oxyfuel) de Cr3C2-NiCr i WC-CoCr. L'evolució de l'angle i el radi de contacte s'han estudiat mitjançant el registre de seqüències d'imatges i s'han determinat les corbes de mullabilitat mitjançant el posterior tractament i anàlisi d'imatges. El mecanisme de mullat s'ha determinat a partir de les corbes de mullabilitat i de la caracterització metal·logràfica de la superfície i de les seccions transversals que mostren l'evolució de la interfase líquid-sòlid i la formació de compostos intermetàl·lics. Es discuteixen l'efecte de l'aliatge, de la composició i morfologia del recobriment en la mullabilitat de el sistema i es comparen els resultats obtinguts amb la mullabilitat en sistemes no recoberts. Els resultats mostren que els recobriments retarden la reacció entre el substrat metàl·lic i l'alumini fos.

La interacción entre metales fundidos y las superficies de materiales cerámicos o metálicos es protagonista en diversos procesos de fabricación, tales como la inyección de aleaciones ligeras, la fundición de hierro o la síntesis de materiales compuestos metal-cerámicos (MMC, Metal Matrix Composites). Esta interacción se traduce en un fenómeno de mojado en mayor o menor medida de la superficie, hecho que puede modularse mediante la aplicación de tratamientos superficiales. El proceso de inyección de aleaciones de aluminio es probablemente uno de los procesos con metales fundidos con más impacto industrial. En el presente trabajo se han estudiado experimentalmente el proceso de mojado por Al9Si3Cu y aluminio puro fundidos de muestras de acero recubiertas utilizando el método de la gota yaciente en vacío en un equipo de ángulo de contacto diseñado y construido ex profeso para este proyecto. Por un lado se han ensayado recubrimientos de capa delgada depositados por la técnica MS-PVD (Magnetron Sputtering Physical Vapor Deposition) o HIPIMS-PVD (High Power Impulse Magnetron Sputtering) de TaN, TiB2, TiN, TiAlN, MoN y DLC(CrN). Por otro lado, se han utilizado recubrimientos gruesos depositados por HVOF (High Velocity Oxyfuel) de Cr3C2-NiCr y WC-CoCr. La evolución del ángulo y el radio de contacto se han estudiado mediante el registro de secuencias de imágenes y se han determinado las curvas de mojabilidad mediante el posterior tratamiento y análisis de imágenes. El mecanismo de mojado se ha determinado a partir de las curvas de mojabilidad y de la caracterización metalográfica de la superficie y de las secciones transversales que muestran la evolución de la interfase líquido-sólido y la formación de compuestos intermetálicos. Se discuten el efecto de la aleación, de la composición y morfología del recubrimiento y en la mojabilidad del sistema y se comparan los resultados obtenidos con la mojabilidad en sistemas no recubiertos. Los resultados muestran que los recubrimientos retardan la reacción entre el sustrato metálico y el aluminio fundido.

The interaction between molten metals and the surfaces of ceramic or metallic materials is the key in various manufacturing processes, such as the injection of light alloys, iron foundry or the synthesis of metal-ceramic composite materials (MMC, Metal Matrix Composites). This interaction translates into a phenomenon of wettability to a greater or lesser extent of the surface, which can be modulated by the application of surface treatments. The process of injection of aluminum alloys is probably one of the processes with molten metals with more industrial impact. In the present work, the wetting process for Al9Si3Cu and pure aluminum were analyzed experimentally with coated steel samples using the sessile drop method in vacuum in a contact angle device designed and constructed specifically for this project. On one hand, thin coating deposits deposited by the MS-PVD (Magnetron Sputtering Physical Vapor Deposition) or HiPIMS-PVD (High Power Impulse Magnetron Sputtering) of TaN, TiB2, TiN, (Ti,Al)N , MoN and DLC (CrN). On the other hand, thick coatings deposited by HVOF (High Velocity Oxyfuel) of Cr3C2-NiCr and WC-CoCr have been used. The evolution of the angle and the contact radius have been studied by recording sequences of images and the wettability curves have been determined through the subsequent treatment and image analysis. The wetting mechanism has been determined from the wettability curves and the metallographic characterization of the surface and the cross sections that show the evolution of the liquid-solid interface and the formation of intermetallic compounds. The effect of the alloy, the composition and morphology of the coating in the wetting behavior are discussed, and the results are compared to those obtained with uncoated system. The results show that coatings delay the reaction between the metal substrate and the molten aluminum.