Desarrollo de recubrimientos nanoestructurados de Al2O3 y Al2O3-TiO2 depositados mediante proyección térmica oxiacetilénica, como una posible alternativa para la sustitución del cromoduro

RESUMEN : La presente investigación tiene como propósito desarrollar mediante proyección térmica recubrimientos que por sus características técnicas puedan ser una alternativa a los recubrimientos de cromoduro electrolítico que aún son ampliamente usados en Colombia para proteger superficies expuestas a corrosión y desgaste, a pesar de lo nociva que resulta su producción para el medio ambiente y la salud humana. El cromo hexavalente utilizado en el depósito de los recubrimientos se encuentra en la lista de los materiales tóxicos, de acuerdo a la Agencia de Protección Ambiental (EPA). En la literatura se encuentran varios tipos de recubrimientos que han sido propuestos como sustitutos de los recubrimientos de cromoduro convencionales, destacando los recubrimientos de WC-10Co-4Cr depositados por HVOF (en inglés High Velocity Oxigen-Fuel), no obstante, su costo general es elevado, lo que hace que su implementación local sea difícil. Debido a lo anterior, en esta investigación se propone el desarrollo de recubrimientos cerámicos depositados por proyección por llama oxiacetilénica como reemplazo del cromoduro. La proyección por llama y las materias primas cerámicas empleadas en el depósito de los recubrimientos desarrollados, presentan características que los convierten en candidatos para el reemplazo del cromoduro, entre las cuales se destacan el bajo costo, el bajo impacto ambiental y el buen desempeño al desgaste. En este trabajo de investigación se depositaron recubrimientos de alúmina y alúmina-titania de estructura bimodal por proyección térmica por llama oxiacetilénica, a partir de polvos aglomerados disponibles comercialmente y nanométricos aglomerados en el Laboratorio de Mineralurgia de la Universidad de Antioquia, mediante secado por aspersión y peletización en tambor rotatorio, buscando encontrar condiciones para producir los recubrimientos de la manera más económica y cumpliendo con las exigencias técnicas suficientes para sustituir al cromoduro. Los recubrimientos fueron evaluados a nivel estructural, mecánico y a su vez se determinó su desempeño al desgaste por contacto deslizante y su capacidad protectora frente a la corrosión, estableciendo una relación de causalidad en el desempeño de los recubrimientos. Los recubrimientos de Al2O3-13 % en peso de TiO2 elaborados a partir de materias primas comerciales (AT13C) y peletizadas en el laboratorio (AT13P), muestran una alta resistencia al desgaste por contacto deslizante, asociada principalmente a la naturaleza de su estructura bimodal y a las condiciones de procesamiento de la materia prima. De igual manera se encontró que su capacidad de protección frente a la corrosión aumenta con el tiempo de exposición de los recubrimientos al electrolito, lo cual es el resultado de un efecto de bloqueo que produce una cantidad limitada de productos de corrosión provenientes del sustrato y de sus defectos estructurales que inicialmente actúan como canales de acceso de los iones agresivos que atacan la muestra. Los resultados de los análisis muestran que estos recubrimientos desde el punto de vista técnico son candidatos promisorios en el reemplazo del cromoduro

Influence of carbon, titanium and aluminium in the high temperature corrosion resistance by molten salts in nickelchromium- iron alloys

RESUMEN: Se estudió la resistencia a la corrosión frente a sales fundidas a alta temperatura en aleaciones base níquel-cromo-hierro. Para esto se fabricaron aleaciones con diferentes concentraciones de carbono y aluminio más titanio y se verificó la composición química de las piezas mediante espectrometría de emisión óptica. Se realizó un laminado en frío, con una deformación unidireccional y cruzada del 15% y un tratamiento térmico de homogenización para obtener la microestructura deseada. Se utilizó microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido (MEB) para analizar la microestructura y determinar el tamaño de grano y se utilizó la técnica espectroscopía de energía dispersiva (EED) para determinar la composición química de los precipitados inter e intragranulares. Finalmente se realizó un proceso de corrosión a alta temperatura con sales de pentóxido de vanadio y se utilizó MEB para analizar el tipo de corrosión presente. Se encontró una muy alta resistencia a la corrosión en caliente para este sistema, con una relación directa entre la concentración de carbono y la tasa de corrosión y sin influencia significativa de los elementos aluminio y titanio. Palabras clave: Aleaciones níquel-cromo-hierro, corrosión a alta temperatura, sales fundidas.ABSTRACT: The corrosion resistance generated by molten salts at high temperature in nickel-ironchromium alloys was studied. Alloys with different concentrations of carbon and aluminum plus titanium were produced and the chemical composition of the samples was determined by optical emission spectrometry. Samples were cold rolled with a cross and unidirectional rolling deformation of 15%, after that a heat treatment was performed to get the desired microstructure. SEM and optical microscopy were used to analyze the microstructure and determining the grain size. EDS analysis was used for determining the chemistry of inter- and intra-granular precipitates. Finally, a high temperature corrosion process was carried out using vanadium pentoxide molten salts. SEM was used to analyze the type of corrosion. A high resistance to hot corrosion was found for this alloy system and a direct relationship between carbon concentration and corrosion rate. No significant influence of the concentration of aluminum and titanium on the corrosion rate was observed. Keywords: Nickel-chromium-iron alloys, high temperature corrosion, molten salts

Microstructure and mechanical properties measured by microindentation and nanoindentation of 4.5 YSZ coating elaborated by suspension plasma spraying

RESUMEN: En este trabajo se analizó la relación entre la microestructura de un recubrimiento de 4,5% en mol de circona estabilizada con itria (4.5YSZ) con sus propiedades mecánicas medidas por nanoindentación y microindentación. Los recubrimientos fueron elaborados por la técnica de proyección térmica por plasma atmosférico a partir de una suspensión de etanol y dos tipos de polvos (3 y 8% en mol de YSZ) con partículas de tamaño nanométrico. El análisis de la microestructura de la sección trasversal del recubrimiento de 4.5YSZ reveló una estructura bimodal, la que estaba compuesta de una zona con partículas semifundidas (ZS) y otra zona compuesta de lamelas con un alto grado de fusión (ZF). Los ensayos de nanoindentación mostraron una distribución Weibull bimodal para la dureza y monomodal para el módulo de elasticidad, lo que está relacionada con su estructura. Los ensayos microindentación (microdureza Vickers y módulo de elasticidad: E) presentaron una distribución Weibull monomodal. Estos resultados de microindentación estuvieron influenciados por el área de contacto de las zonas indentadas, ya que estas tomaban las dos zonas microestructurales (ZF y ZS) del recubrimiento de 4.5YSZ revelando una medición global de sus propiedades mecánicas.ABSTRACT: In this paper the microstructure of 4.5 mol% Yttria-Stabilized-Zirconia (4.5YSZ) coating and its mechanical properties measured by nanoindentation and microhardness was analyzed. The coatings were elaborated by suspension plasma spraying (SPS) from a suspension of ethanol and two types of powders (3 and 8 mol% YSZ) with nanosized particles. The analysis of the microstructure of the cross section of the 4.5 wt. YSZ coating revealed a bimodal structure, which was composed of a zone with semi-molten particles (ZS) and another zone consisting of lamellae with a high degree of fusion (ZF). Nanoindentation tests showed a bimodal Weibull distribution for hardness and monomodal Weibull distribution for elastic modulus (E), which is related to its structure. Microhardness tests (hardness Vickers and E) had a monomodal Weibull distribution. These results of microindentation were influenced by the contact area of the indentation zones, as they took the two zones (ZF and ZS) of the microstructure of 4.5YSZ coating revealing global measurement of their mechanical properties

Efecto de la microestructura y de la microdureza sobre la resistencia al desgaste de recubrimientos elaborados por proyección térmica por plasma atmosférico a partir de circona-alúmina, circona-itria y circona-ceria

ResumenEn este trabajo se ha estudiado el efecto de la microestructura y de la microdureza sobre la resistencia al desgaste de recubrimientos de circona-alúmina (ATZ), circona-itria (YSZ) y circona-ceria (CSZ) elaborados mediante proyección térmica por plasma atmosférico. La microestructura y la fractura de la sección transversal de los recubrimientos han sido evaluadas mediante microscopia electrónica de barrido (MEB), sus fases han sido analizadas a partir de espectros de difracción de rayosX (DRX), su microdureza ha sido determinada mediante microindentación Vickers y su resistencia al desgaste ha sido evaluada mediante el ensayo de bola-disco. Los resultados mostraron que el recubrimiento que presentó el mejor desempeño tribológico fue el de ATZ, a pesar de tener una cantidad importante de la fase circona monoclínica, la cual es de menor dureza que la tetragonal presente en mayores cantidades en los otros 2 recubrimientos y este comportamiento ha estado muy relacionado con su microestructura y su alta microdureza. La menor resistencia al desgaste de los recubrimientos de YSZ y CSZ ha estado relacionada con la estructura columnar presente dentro de sus lamelas, lo que puede ocasionar un mayor desprendimiento de partículas en la superficie de contacto durante el ensayo bola-disco, aumentando así su desgaste.AbstractThe effect of the structure and microhardness on the wear resistance of zirconia-alumina (ATZ), zirconia-yttria (YSZ) and zirconia-ceria (CSZ) coatings manufactured by atmospheric plasma spraying was studied. The microstructure and the fracture on the cross section of the coatings were analyzed using Scanning Electron Microscopy, the phases were identified using X-Ray Diffraction, the microhardness was measured by Vickers indentation and the wear resistance was evaluated by ball on disc test. The results showed that zirconia-alumina coating exhibits the best performance in the wear test. This behavior is closely related to their microstructure and higher microhardness, despite of its significant quantity of the monoclinic zirconia phase, which has lower mechanical properties than tetragonal zirconia phase. Tetragonal zirconia phase was predominant in the zirconia-yttria and zirconia-ceria coatings and despite this behavior; they did not have a good performance in the wear tests. This low wear resistance was mainly influenced by the columnar structure within their lamellae, which caused a greater detachment of particles in the contact surface during the ball-disc tests, increasing its wear

Evaluation of hot corrosion behavior of yttria-stabilized-zirconia coating elaborated by atmospheric plasma spraying

RESUMEN: En este trabajo se evaluó el comportamiento a la corrosión en caliente en un ambiente de sales de un recubrimiento de circona estabilizada con un 7 % en peso de itria (YSZ), el cual fue elaborado por la técnica de proyección térmica por plasma atmosférico. El recubrimiento de YSZ fue estudiado con dos tipos de espesores de la capa de anclaje NiCrAlCo-Y2O3, el cual fue aplicado sobre una superaleación Inconel 718. La morfología de la materia prima, la microestructura y la fractura de la sección transversal del recubrimiento fueron evaluadas mediante microscopia electrónica de barrido (MEB). Las fases de la materia prima y del recubrimiento de YSZ fueron analizadas a partir de espectros de difracción de rayos X (DRX) y el ensayo de corrosión en sales fue realizado en presencia de V2O5 y Na2SO4 a una temperatura de 1050 ºC durante 40 h. La morfología de la superficie y las fases del recubrimiento después del ensayo de corrosión en caliente fueron evaluadas por MEB y DRX respectivamente. Según análisis de DRX, los ensayos de corrosión en caliente mostraron principalmente la formación de cristales de vanadatos de itrio (YVO4) y circona de fase monoclínica (m-ZrO2) en la superficie del recubrimiento, evidenciando la desestabilización del recubrimiento cerámico y en consecuencia la disminución de sus propiedades mecánicas y térmicas por la presencia de una gran cantidad de m-ZrO2. Los dos espesores de la capa de anclaje resistieron los esfuerzos térmicos generados durante el ensayo de corrosión en caliente, sin generar grietas apreciables ni delaminación en el recubrimiento.ABSTRACT: In this study, hot corrosion behavior in molten salts of 7 wt. % Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) coatings manufactured by atmospheric plasma spraying was evaluated. YSZ coating was studied with two kind of thickness of NiCrAlCo-Y2O3 bond coat, which was elaborated on the Inconel 718 superalloy. The morphology of the raw material, the microstructure and fracture of the cross section of the coatings were evaluated by Microscopy Scanning Electron (SEM). The phases of the raw material and YSZ coating were analyzed from spectra of X-Ray Diffraction (XRD). Hot corrosion tests was performed in the presence of a mixture V2O5 and Na2SO4 powders at a temperature of 1050 °C for 40 h. The surface morphology and the phases of the coating after the hot corrosion test were evaluated by SEM and XRD respectively. Hot corrosion tests showed mainly the formation of yttrium vanadate crystals (YVO4) and monoclinic zirconia (m-ZrO2) in the top coating surface. These phases showed the destabilization of YSZ coating and therefore the decrease in its mechanical and thermal properties by the presence of a large amount of m-ZrO2 resulting from XRD analysis after hot corrosion test. The two thicknesses of the bond coat resisted the thermal stresses generated during the hot corrosion test without generating appreciable cracks or delamination in the thermal barrier coating

Study of the structure and mechanical properties in 8 mol% yttria-stabilized zirconia coating manufactured by suspension plasma spraying

RESUMEN: El estudio de recubrimientos nanoestructurados fabricados mediante proyección térmica ha generado un gran interés en las últimas dos décadas debido a su considerable mejora en sus propiedades sobre todo en las propiedades físicas y mecánicas. Esta mejora resulta de reducir los tamaños de grano de su materia prima a escalas de 100 a 1000 veces más bajas comparadas con los recubrimientos convencionales microestructurados. Así, estos recubrimientos con estructuras a nivel nano y/o submicrométrica están empezando a ser usados en la industria gracias a sus sobresalientes propiedades y es fundamental el estudio de sus propiedades mecánicas para determinadas aplicaciones. En la actualidad, la indentación es la principal técnica de caracterización de recubrimientos y películas delgadas, a pesar de estar altamente influenciada por los defectos propios del recubrimiento en la vecindad de la indentación. La nanoindentación y la microindentación se presentan como la mejor opción para evaluar el comportamiento mecánico de estos recubrimientos nanoestructurados. Por esta razón, en este trabajo se analizó el efecto de la estructura de un recubrimiento de circona estabilizada con 8% en mol de itria (8YSZ) elaborado por proyección térmica por plasma a partir de suspensiones nanométricas (SPS) y su relación con sus propiedades mecánicas (dureza y módulo de elasticidad) medidas por las técnicas de nanoindentación y microindentación. El análisis de la estructura de la sección transversal mostró que el recubrimiento exhibe una estructura bimodal, la cual está compuesta por una zona con partículas nanométricas semifundidas (ZS) y lamelas con mayor grado de fusión (ZF). Los ensayos de nanoindentación mostraron una distribución de Weibull bimodal de sus propiedades mecánicas, la cual característica de este tipo de recubrimientos; mientras que la dureza (HV) y el módulo de elasticidad evaluados por microindentación, presentaron una distribución monomodal. Estos resultados de microindentación estuvieron influenciados por el área de contacto en las zonas indentadas en la estructura bimodal del recubrimiento. Palabras clave: Recubrimiento por plasma a partir de suspensiones (SPS), estructura, indentación, Distribución Weibull, recubrimiento 8YSZ.ABSTRACT: The study of nanostructured coatings manufactured by thermal spraying has generated a great interest in the last two decades due to their considerable improved properties especially in the physical and mechanical properties. This improvement is to reduce grain sizes of their raw materials at scales of 100-1000 times lower compared to conventional coatings (microstructured). Thus, these coatings structured at the nano and sub micrometric scale start to be used in the industrial applications and, it is essential to study their mechanical properties for certain applications. Currently, the indentation is the main technique for characterizing thin films and coatings, despite being highly influenced by the defects of the coating in the vicinity of the indentation. Nanoindentation and microindentation is presented as the best option for evaluate the mechanical behavior of nanostructured coatings. For this reason, in this work the study of the effect of the structure of the 8 mol% yttria-stabilised zirconia coating (8YSZ) manufactured by suspension plasma spraying (SPS) and the relationship with its mechanical properties (hardness and elastic modulus) measures for nanoindentation and microindentation techniques was analyzed. Analysis of the structure of the cross section of coating exhibit a bimodal structure, which is composed by a zone with semi-molten nanoparticles (ZS) and lamellaes with a higher grade of fusion (ZF). Nanoindentation tests showed a bimodal Weibull distribution of the mechanical properties (hardness and elastic modulus) which is related to the two zones (ZF and ZS) present in the coat-ing, while hardness (HV) and elastic modulus measured by microhardness, showed a monomodal distribu-tion. These results of microhardness were influenced by the contact area of the indentation in zones com-posed of the bimodal structure of the YSZ coating. Keywords: Suspension plasma spraying (SPS), structure, indentation, Weibull distribution, 8YSZ coating

Revista Temas Agrarios Volumen 26; Suplemento 1 de 2021

1st International and 2nd National Symposium of Agronomic Sciences: The rebirth of the scientific discussion space for the Colombian Agro.1 Simposio Intenacional y 2 Nacional de Ciencias Agronómicas: El renacer del espacio de discusión científica para el Agro colombiano