Desarrollo y caracterización de recubrimientos MCrAlY obtenidos mediante técnicas láser para aplicaciones de barrera térmica en aceros inoxidables

Abstract

[EN] The coaxial laser cladding process is an excellent tool to obtain quality coatings, achieving complete melting and deposition of alloys with high melting point on complex 3D surfaces. In this work we have studied the coaxial laser cladding parameters for MCrAlY coatings (where M = Ni, Co, Fe or combinations of these), commonly used as bond coats in thermal barrier systems, among them: NiCoCrAlYTa, NiCoCrAlY, NiCrAlY and CoNiCrAlY; selecting the laser parameters that allow to obtain overlapping coatings with adequate geometrical aspect ratio, minimum dilution, low porosity and good metallurgical bond with the austenitic stainless steel substrate, by using a 2.2 kW Nd:YAG laser equipment and coaxial head with annular nozzle. The laser coatings have been characterized using various microstructural tech-niques, to identify their constituent phases and the type of microstructure obtained with coaxial laser processing. The mechanical properties were determined by three-point bending tests as well as micro hardness and nanoindentation tests. The high temperature oxidation behavior of the laser coatings and austenitic stainless steel substrate were studied through isothermal oxidation tests at 1100 ºC. The morphology and chemical composition of the oxidized surface were evaluated in detail. The oxidation kinetics and the thermal growth oxide scale, thickness, structure and composition of the oxide layers formed according to the oxidation time were also studied. Finally, friction and wear behavior at room temperature and elevated temperature (500 ºC) were studied by dry sliding tribological tests, in order to obtain the friction coefficient and wear resistance of MCrAlY laser cladding coatings and to compare their behavior with the substrate. The experimental results, allowing to analyze the influence of coaxial laser processing on mechanical properties and high temperature behavior of MCrAlY laser coatings, as well as their comparison with the AISI 304 austenitic stainless steel and MCrAlY coatings obtained by thermal spray processes that are currently used in bond coats. The results indicate that the coaxial laser cladding may be a good alternative to thermal spray processes, because microstructural integrity is improved and defects such as porosity and lack of metallurgical bonding were decreased. These facts, along with the enhancement of the oxidation and the wear resistance of MCrAlY alloys at high temperature, make the coaxial laser process potentially useful to obtain MCrAlY bond coats for new generation of thermal barrier systems.

[ES] El proceso de plaqueado láser coaxial es una excelente herramienta para la obtención de recubrimientos de calidad, logrando la completa fusión y deposición de aleaciones con elevado punto de fusión sobre superficies 3D complejas. En este trabajo se han estudiado los parámetros de procesado láser coaxial de superaleaciones MCrAlY (donde M = Ni, Co, Fe o combinaciones entre ellos), comúnmente empleadas como recubrimientos de anclaje en sistemas de barrera térmica, entre ellas: NiCoCrAlYTa, NiCoCrAlY, NiCrAlY y CoNiCrAlY; logrando seleccionar una combinación de parámetros que permiten obtener recubrimientos por solape de cordones con adecuada relación de aspecto, mínima dilución, bajo nivel de porosidad y buena unión metalúrgica con el sustrato de acero inoxidable austenítico, utilizando un equipo láser Nd:YAG de 2.2 kW y un cabezal coaxial. Los recubrimientos láser han sido caracterizados microestructuralmente con diversas técnicas, logrando identificar las fases que los constituyen y el tipo de microestructura obtenida con el procesado láser coaxial. Se han determinado sus propiedades mecánicas a través de ensayos de microdureza, nanoindentación instrumentada y de flexión a tres puntos. Se ha estudiado también el comportamiento de oxidación a alta temperatura de los recubrimientos y del acero inoxidable austenítico mediante ensayos de oxidación isotérmica a 1100 ºC, logrando evaluar en detalle la morfología y composición de la superficie oxidada, la cinética de oxidación, así como la evolución del espesor, estructura y composición de las capas de óxido formadas en función del tiempo de oxidación. Por último, se ha realizado el estudio del comportamiento ante la fricción y el desgaste a temperatura ambiente y a elevada temperatura (500 ºC), mediante ensayos tribológicos de desgaste por deslizamiento en seco, con la finalidad de obtener el coeficiente de rozamiento y evaluar la resistencia al desgaste que presentan los recubrimientos láser MCrAlY y su comparación con el comportamiento que presenta el sustrato. Los resultados de la experimentación han permitido analizar la influencia del procesado láser coaxial en las propiedades mecánicas y el comportamiento a alta temperatura de recubrimientos MCrAlY, y su comparación con el acero inoxidable AISI 304 y recubrimientos similares obtenidos por procesos de proyección térmica y utilizados en la actualidad. Los resultados indican que el plaqueado láser coaxial puede ser una buena alternativa a los procesos de proyección térmica, ya que se mejora la integridad microestructural, se disminuyen los defectos como la porosidad y la falta de unión metalúrgica, mejorando también el comportamiento ante la oxidación y el desgaste a elevadas temperaturas de los recubrimientos de anclaje MCrAlY que pueden ser utilizados en nuevos sistemas de barrera térmica.

[CA] El procés de plaquejat làser coaxial és una excel·lent eina per a l'obtenció de recobriments de qualitat, aconseguint la completa fusió i deposició d'aliatges amb elevat punt de fusió sobre superfícies 3D complexes. En aquest treball s'han estudiat els paràmetres de processament làser coaxial de superaliatges MCrAlY (on M = Ni, Co, Fe o combinacions entre ells), comunament emprades com recobriments d'ancoratge en sistemes de barrera tèrmica, entre elles: NiCoCrAlYTa, NiCoCrAlY, NiCrAlY i CoNiCrAlY; aconseguint seleccionar una combinació de paràmetres que permeten obtenir recobriments per solapament de cordons amb adequada relació d'aspecte, mínima dilució, baix nivell de porositat i bona unió metal·lúrgica amb el substrat d'acer inoxidable austenític, utilitzant un equip làser Nd:YAG de 2.2 kW i un capçal coaxial. Els recobriments làser han estat caracteritzats microestructuralment amb diverses tècniques, aconseguint identificar les fases que els constitueixen i el tipus de microestructura obtinguda amb el processat làser coaxial. S'han determinat les seves propietats mecàniques mitjançant assaigs de microduresa, nanoindentació i de flexió a tres punts. S'ha estudiat també el comportament d'oxidació a alta temperatura dels recobriments i de l'acer inoxidable austenític mitjançant assaigs d'oxidació isotèrmica a 1100 ºC, aconseguint avaluar en detall la morfologia i composició de la superfície rovellada, la cinètica d'oxidació, així com la evolució del gruix, estructura i composició de les capes d'òxid formades en funció del temps d'oxidació. Finalment, s'ha realitzat l'estudi del comportament davant la fricció i el desgast a temperatura ambient i a elevada temperatura (500 ºC), mitjançant assajos tribològics de desgast per lliscament en sec, amb la finalitat d'obtenir el coeficient de fricció i avaluar la resistència al desgast que presenten els recobriments làser MCrAlY i la seva comparació amb el comportament que presenta el substrat. Els resultats de l'experimentació han permès analitzar la influència del processat làser coaxial en les propietats mecàniques i el comportament a alta temperatura de recobriments MCrAlY, i la seva comparació amb l'acer inoxidable AISI 304 i recobriments similars obtinguts per processos de projecció tèrmica, utilitzats actualment. Els resultats indiquen que el plaquejat làser coaxial pot ser una bona alternativa als processos de projecció tèrmica, ja que es millora la integritat microestructural, es disminueixen els defectes com la porositat i la falta d'unió metal·lúrgica, millorant també el comportament davant l'oxidació i el desgast a elevades temperatures dels recobriments d'anclatge MCrAlY que poden ser utilitzats en nous sistemes de barrera tèrmica.