Un estudio comparativo sobre las características del composite (Cr3C2

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10778 (2023) Citar este artículo

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Un típico acero ferrita/martensítico resistente al calor (T91) se utiliza ampliamente en recalentadores, sobrecalentadores y centrales eléctricas. Los recubrimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr son conocidos por sus recubrimientos resistentes al desgaste en aplicaciones de temperatura elevada. El trabajo actual compara los estudios microestructurales de revestimientos compuestos a base de 75% en peso de Cr3C2-25% en peso de NiCr desarrollados mediante energía láser y microondas sobre un sustrato de acero T91. Los revestimientos desarrollados de ambos procesos se caracterizaron mediante un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FE-SEM) acoplado con espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDS), difracción de rayos X (XRD) y evaluación de la microdureza Vickers. Los revestimientos basados en Cr3C2-NiCr de ambos procesos revelaron una mejor unión metalúrgica con el sustrato elegido. La microestructura del revestimiento láser desarrollado muestra una estructura solidificada densa distintiva, con una fase rica en Ni que ocupa espacios interdendríticos. En el caso del revestimiento de microondas, las partículas duras de carburo de cromo se dispersaron consistentemente dentro de la matriz blanda de níquel. El estudio EDS evidenció que los límites de las células están revestidos de cromo donde se encontraron Fe y Ni dentro de las células. El análisis de fases de rayos X de ambos procesos evidenció la presencia común de fases como carburos de cromo (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), hierro níquel (FeNi3) y cromo-níquel (Cr3Ni2, CrNi), a pesar de estas fases carburos de hierro (Fe7C3). se observan en los revestimientos de microondas desarrollados. Las distribuciones homogéneas de dichos carburos en la estructura revestida desarrollada de ambos procesos indicaron una mayor dureza. La microdureza típica del revestimiento láser (1142 ± 65 HV) fue aproximadamente un 22% mayor que la del revestimiento de microondas (940 ± 42 HV). Utilizando una prueba de bola sobre placa, el estudio analizó el comportamiento de desgaste de las muestras revestidas con láser y microondas. Las muestras de revestimiento láser mostraron una resistencia al desgaste superior debido a los elementos de carburo duro. Al mismo tiempo, las muestras revestidas con microondas experimentaron más daños en la superficie y pérdida de material debido a microcortes, aflojamientos y fracturas inducidas por fatiga.

Las técnicas de modificación de superficies son fundamentales para mejorar el rendimiento y la durabilidad de los componentes de ingeniería sujetos a desgaste y corrosión severos. Debido a su alta resistencia al desgaste y a la corrosión, los revestimientos compuestos, en particular el sistema Cr3C2-NiCr, han recibido mucha atención. Sin embargo, la fuente de energía utilizada en el proceso de revestimiento afecta significativamente las propiedades finales y el rendimiento general de los revestimientos1. Los materiales compuestos cerámicos/metálicos, como el cermet, se reconocen desde hace mucho tiempo como una solución destacada para mejorar la resistencia al desgaste y a la corrosión de los componentes mecánicos en aplicaciones industriales. Sin embargo, los enfoques convencionales como la metalurgia de lingotes o polvos presentan desafíos importantes en la producción de compuestos cermet. Alternativamente, las tecnologías de ingeniería de superficies como la pulverización térmica, el revestimiento por láser y el revestimiento por microondas ofrecen enfoques prácticos para desarrollar revestimientos funcionales en componentes industriales, protegiendo eficazmente las superficies objetivo contra el desgaste y los problemas relacionados con la corrosión2,3. Entre estas técnicas, la pulverización de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF) es una opción comercialmente viable para crear diversos recubrimientos de cermet. Los recubrimientos desarrollados mediante el proceso HVOF exhiben una fuerza de unión sustancial con una porosidad mínima. Sin embargo, eliminar los poros del recubrimiento durante el recubrimiento HVOF es un desafío, lo que lleva a una menor fuerza de unión que la unión metalúrgica4. Estos inconvenientes limitan significativamente las aplicaciones industriales del proceso HVOF, ya que la presencia de poros dentro de los recubrimientos puede servir como vías de difusión acelerada para ambientes corrosivos, lo que representa una amenaza crítica para la vida útil del componente5,6.

El proceso de revestimiento por láser presenta una técnica alternativa para aplicaciones de recubrimiento, que ofrece un control preciso sobre la dilución y la unión metalúrgica, lo que facilita el desarrollo de microestructuras refinadas. Esta técnica cuenta con varias ventajas, incluida una baja porosidad con una estructura totalmente densa, un daño mínimo al sustrato objetivo en la interfaz y una unión metalúrgica robusta. El proceso de revestimiento láser ha ganado recientemente una atención significativa en los recubrimientos resistentes al desgaste a altas temperaturas, lo que lo convierte en un tema destacado en la modificación de superficies de materiales. Por ejemplo, Jayaprakash et al.7 examinan las características de los polvos de WC-12%Co y Cr3C2-25%NiCr aleados con láser sobre hierro fundido nodular y sus resultados en cuanto a la microestructura, la microdureza y las propiedades de resistencia al desgaste. La contribución de este artículo es brindar información sobre la microestructura y la evolución tribológica durante la aleación láser de polvos de WC-12%Co y Cr3C2-25%NiCr en superficies de hierro nodular, lo que puede ser beneficioso para desarrollar recubrimientos resistentes al desgaste para aplicaciones industriales. Otro estudio informó que el revestimiento láser del revestimiento compuesto de NiCr/Cr3C2-30%WS2 puede minimizar eficazmente las características de fricción y desgaste a temperaturas de hasta 3000 °C8. La refundición por láser de recubrimientos pulverizados térmicamente también se ha estudiado ampliamente para diversos sistemas de materiales, como aleaciones fluidas a base de Ni, WC-Co o cermets Cr3C2-NiCr, utilizando irradiación láser in situ. Se observó que la profundidad de fusión aumenta con una mayor densidad de energía del láser de entrada5,9.

Además, Chenggang et al.10 investigaron el revestimiento láser de polvo de Ni60-Cr3C2 sobre la aleación W6Mo5Cr4V2, revelando un aumento significativo en la dureza atribuido a la formación de una solución sólida de carburos de Cr3C7. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el proceso de revestimiento láser tiene limitaciones, incluido un alto estrés térmico debido al pronunciado gradiente térmico, estrés residual y porosidad. Estas limitaciones requieren métodos de revestimiento innovadores para superar estos desafíos, ya que los recubrimientos láser son rentables para procesar grandes superficies y requieren soluciones para abordar estos problemas.

La creciente demanda de eficiencia energética, eficacia en el tiempo y enfoques respetuosos con el medio ambiente ha impulsado el desarrollo de nuevas técnicas de modificación de superficies para cumplir con los estándares industriales globales. En los últimos años, la utilización de la energía de microondas para el procesamiento de materiales ha surgido como una vía prometedora que se alinea con estos requisitos y ofrece una alternativa a los métodos ecológicos y energéticamente eficientes11. El proceso de revestimiento de microondas ha experimentado un crecimiento significativo en los últimos tiempos. Esta técnica aprovecha la naturaleza de calentamiento volumétrico de las microondas, lo que garantiza un gradiente térmico uniforme en toda la estructura del revestimiento y facilita una unión metalúrgica superior con el sustrato. Además, el revestimiento de microondas se caracteriza por su eficiencia energética, rentabilidad y tiempo de procesamiento reducido. Los estudios iniciales de Guptha y Sharma12 han explorado la aplicación de la energía de microondas para revestir materiales metálicos sobre acero inoxidable. Posteriormente, investigaciones de varios autores han demostrado un extenso trabajo sobre el proceso de revestimiento de microondas. Los revestimientos de microondas desarrollados exhibieron una unión metalúrgica mejorada con el sustrato, sin grietas ni formaciones de poros12,13,14,15,16. Además, se han logrado resultados positivos en la producción de revestimientos compuestos a base de Ni-SiC, Ni-Cr3C2 y Ni-WC utilizando energía de microondas en diferentes grados de acero inoxidable17,18.

En la industria moderna, los recubrimientos de cromo duro están muy extendidos para mejorar el rendimiento frente al desgaste de componentes de ingeniería como pistones y válvulas. Sin embargo, debido a los efectos perjudiciales para el medio ambiente y los riesgos para la salud asociados con los compuestos de cromo, se han realizado numerosos esfuerzos para encontrar recubrimientos alternativos19. Además, los recubrimientos de cromo duro convencionales experimentan una caída en sus propiedades mecánicas a temperaturas superiores a 350 °C. Como resultado, buscar alternativas como recubrimientos que contengan Cr3C2 y WC parece ser una solución sensata para abordar estos desafíos. Estos carburos poseen excelentes propiedades de resistencia al desgaste, dureza y oxidación4. Las investigaciones han demostrado que la combinación de Ni (Cr) con carburos de cromo duros puede mejorar la tenacidad y la resistencia a la oxidación del recubrimiento. Las aleaciones a base de Ni se emplean comúnmente en diversas aplicaciones industriales debido a su alta resistencia al desgaste bajo presiones de contacto elevadas20. Se prefiere un polvo revestido a base de 75Cr3C2 + 25(NiCr) para mejorar las propiedades de resistencia al desgaste de las aleaciones de acero y superaleaciones a base de Ni a altas temperaturas21. El recubrimiento cermet Cr3C2-NiCr ha ganado un amplio uso industrial debido a su excelente combinación de resistencia al desgaste y a la corrosión. Aunque la resistencia a la corrosión está más influenciada por la porosidad que por la composición química, lograr un estado completamente denso y una unión metalúrgica con el sustrato es crucial22.

A pesar de los numerosos estudios realizados sobre revestimientos láser y de microondas, todavía faltan datos disponibles sobre el procesamiento de materiales de revestimientos desarrollados utilizando energía láser y de microondas en condiciones materiales idénticas. Esta brecha de conocimiento impacta directamente la calidad y los costos de ingeniería de manera significativa. Para abordar esta brecha, la investigación actual utiliza energía láser y microondas para desarrollar revestimientos compuestos con una composición de 75 % en peso de Cr3C2 y 25 % en peso de NiCr sobre acero T91. Se informan observaciones comparativas sobre la formación de fases, las características microestructurales y la microdureza Vickers, y la evaluación del desgaste por fricción/fatiga de ambos tipos de revestimiento desarrollados.

Los detalles del material, el procedimiento experimental y las técnicas de caracterización utilizadas en el presente trabajo se analizan brevemente en las siguientes secciones.

En el trabajo actual, se utilizó un polvo compuesto de 75% en peso de carburo de cromo y 25% en peso de níquel-cromo (75Cr3C2-25NiCr) disponible comercialmente (fabricante: Oerlikon metco (Woka 7202)) que tenía un tamaño de partícula de 45 µm para desarrollar revestimientos en ferríticos T91. aleación de acero. En la Fig. 1a se muestra una microestructura del sustrato T91. Las partículas del polvo revestido tenían forma esférica. La Figura 1b muestra la forma típica del polvo revestido sin procesar utilizado para la deposición. El patrón XRD del polvo compuesto Cr3C2-NiCr se ilustra en la Fig. 1d. Esto muestra la presencia dominante de Cr3C2 junto con NiCr. Las partículas de Cr3C2 son responsables de impartir una mayor dureza, mientras que el NiCr actúa como un aglutinante que ofrece una mayor resistencia de la matriz a través de sus excelentes propiedades de adhesión y humectación del carburo. Los sustratos se mecanizaron hasta las dimensiones deseadas a partir de la placa de acero T91. La composición química del polvo revestido elegido (Cr3C2-NiCr) y el sustrato T91 se presenta en la Tabla 1. El espectro XRD del sustrato T91 muestra el predominio principal de la ferrita de hierro, Fig. 1c.

Imágenes SEM de (a) microestructura del sustrato (T91), (b) morfología del polvo de Cr3C2-NiCr, (c) espectro de XRD del sustrato T91 y (d) espectro de XRD del polvo de Cr3C2-25 NiCr.

El polvo revestido y la preparación del sustrato también son importantes en el proceso de desarrollo. Por lo tanto, el sustrato se pulió con un proceso metalúrgico estándar y se limpió con acetona antes de la deposición del polvo. El polvo revestido se calentó a 200 °C durante 24 h en un horno de mufla normal para eliminar el posible contenido de humedad. Los revestimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr se desarrollan mediante dos procesos diferentes que se describen a continuación.

Se desarrollaron revestimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr mediante energía láser sobre el sustrato T91. La configuración experimental de revestimiento láser equipada con un láser de diodo de 10 kW consta de un suministro de fibra y un sistema de cabezal óptico colocado en un robot de 6 ejes con un tamaño de punto cuadrado de 6 mm. Se empleó un conjunto de boquilla de alimentación de polvo fuera del eje para alimentar el polvo sobre el sustrato durante la interacción del láser con gas argón. Se mantuvo una distancia vertical de 14 mm entre el sustrato y el rayo láser. Para optimizar los parámetros del proceso, se llevaron a cabo numerosas pruebas experimentales. Finalmente, se desarrollaron revestimientos láser con una potencia de 2000 W manteniendo una velocidad de escaneo de 5 mm/s con una velocidad de alimentación de polvo de 8 g/min. En la Fig. 2 se muestra un sistema experimental típico revestido con láser utilizado.

Se utilizó una configuración experimental de láser de diodo para desarrollar revestimientos láser compuestos a base de Cr3C2-NiCr.

En este proceso, se desarrollaron revestimientos basados en Cr3C2-NiCr mediante energía de microondas en el sustrato T91. Antes de la deposición del polvo revestido, el sustrato plano T91 se limpió a fondo con alcohol, asegurando su limpieza. Inicialmente, el polvo revestido se mezcló con aglutinante Araldite para preparar una suspensión; la suspensión preparada de polvo revestido se aplicó uniformemente sobre un sustrato con un espesor aproximado de 1 mm. Las pruebas experimentales se llevaron a cabo utilizando un horno microondas convencional, con una placa (aislante) de alúmina pura al 99%, de aproximadamente 0,5 mm de espesor, mantenida sobre la suspensión de polvo revestido aplicada sobre el sustrato. La placa de alúmina actúa como separador entre el polvo revestido y el susceptor. El polvo de carbón se utilizó como susceptor que inicia el calentamiento y ayuda a aumentar la temperatura de las partículas de polvo revestidas más allá de su nivel crítico. Una vez que el polvo revestido alcanza su temperatura crítica, estas partículas se acoplan con un incidente de radiación de microondas, lo que provoca aún más calentamiento y fusión. El sustrato metálico se colocó sobre la base refractaria. Se empleó un material altamente absorbente de microondas llamado susceptor para elevar la temperatura de las partículas de polvo. Luego se usó calentamiento híbrido por microondas para fundir el polvo previamente colocado. Una vez que la configuración experimental estuvo lista, la disposición de la configuración de calefacción híbrida se colocó sobre la mesa giratoria y se expuso a la radiación de microondas en el horno microondas doméstico. El esquema de la configuración experimental se muestra en la Fig. 3. Finalmente, los revestimientos de microondas se desarrollaron en un horno microondas doméstico (Marca: Horno microondas de convección de carbón LG 28 L, Modelo: MJ2886BFUM, Negro). La irradiación con microondas se realizó con una potencia de 900 W a 2,45 GHz. Los parámetros del proceso se han optimizado basándose en métodos de prueba y error, similar a nuestro trabajo anterior3,16,23. Además, en otros lugares se proporciona más información sobre el desarrollo de revestimientos mediante calentamiento híbrido por microondas (MHH)12,24,25,26.

Horno microondas y esquema de configuración de calefacción híbrida.

Los revestimientos a base de Cr3C2-NiCr desarrollados mediante los procesos anteriores se seccionaron a lo largo del espesor y se montaron en caliente en epoxi. Luego, las muestras montadas se pulieron utilizando técnicas metalográficas estándar. El análisis de fase XRD se llevó a cabo a través de un difractómetro Rigaku utilizando rayos X Cu Kα a temperatura ambiente. La velocidad de exploración fue de 1°/min mientras se mantuvo el rango de exploración de 10° a 120°. Los estudios de microestructura y EDS se llevaron a cabo mediante un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo. La microdureza de los revestimientos se llevó a cabo con una carga de 500 g con un tiempo de permanencia de 15 s mediante un probador de microdureza Vickers (VMHT Micro Hardness Tester). Se utilizó una distancia constante de 100 µm para todas las muescas de microdureza.

La prueba de desgaste se realizó utilizando tribómetros lineales alternativos de bola sobre placa (THT1000 y TRB3, Anton Paar, Austria, ASTM G133) para evaluar el comportamiento de desgaste de muestras revestidas con láser y microondas cortadas con alambre pulido en bruto. Las dimensiones de las muestras fueron 10 mm × 10 mm × 6 mm (largo × ancho × alto). La Tabla 2 proporciona los detalles de los parámetros de desgaste empleados durante la prueba. Para examinar el comportamiento de desgaste por fricción/fatiga de ambas superficies revestidas bajo diferentes condiciones de carga, se empleó un penetrador estático de bola de alúmina con un radio de 3 mm. El penetrador realizó un movimiento alternativo lineal con una amplitud de 4 mm. Los revestimientos desgastados se sometieron a análisis SEM para investigar e identificar los mecanismos de desgaste asociados después de la prueba de desgaste.

El comportamiento superficial modificado de los componentes de ingeniería a través de estos dos importantes métodos de revestimiento se puede entender bien atribuyéndolo a su estructura de formación. Los principios del desarrollo de superficies se ilustran esquemáticamente mediante un concepto de "procesamiento de una sola partícula" en la Fig. 4. Un revestimiento láser y un polvo rociado producen una capa de revestimiento de alta calidad con una dilución mínima. Las partículas de polvo se transportan al baño de fusión a través de un gas portador y se enfocan en un ángulo de 38°-45° hacia el sustrato objetivo. La fusión y solidificación completas dan como resultado una microestructura densa. Sin embargo, en el proceso de revestimiento por láser, la energía debe ser lo suficientemente alta para fundir las partículas de polvo y baja para evitar la fusión de los sustratos. Las partículas de polvo que golpean el sustrato fuera del baño de fusión rebotan, pero las partículas que golpean el baño de fusión provocan que se funda completamente. En los revestimientos láser, existen algunas preocupaciones sobre el desarrollo de tensiones residuales debido al rápido agrietamiento por solidificación, el alto gradiente térmico y la porosidad27. Por lo tanto, las microfisuras y la porosidad (Fig. 5a) provocan desconchados de los revestimientos láser en circunstancias de trabajo severas. En el proceso de revestimiento de microondas, se produce calor dentro de las partículas de polvo debido a pérdidas dieléctricas, lo que provoca además la naturaleza volumétrica del calentamiento y la posterior fusión. Las partículas de polvo revestidas fundidas hacen que la temperatura del sustrato aumente aún más hasta su punto de fusión y se fusionen (Fig. 4). Tras la solidificación, se puede ver una estructura de revestimiento mejor desarrollada con una microestructura uniforme y densa, libre de grietas por solidificación con porosidad insignificante (Fig. 5b).

Un diagrama esquemático muestra el procesamiento de una sola partícula mediante láser y energía de microondas durante el desarrollo del revestimiento.

La imagen óptica típica muestra revestimientos de área basados en Cr3C2-NiCr desarrollados mediante (a) energía láser, (b) energía de microondas.

Los revestimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr se desarrollan mediante energía láser y de microondas y se caracterizan mediante diversas técnicas, y los hallazgos se analizan en las secciones siguientes.

En la Fig. 6 se muestra un espectro XRD de clads desarrollado a través de energía láser y energía de microondas. El espectro de clad de ambos procesos evidenció la presencia común de fases como carburos de cromo (Cr7C3 Cr3C2, Cr23C6), hierro níquel (FeNi3) y cromo- níquel (Cr3Ni2, CrNi). Sin embargo, estas fases de carburos de hierro (Fe7C3) se observan en revestimientos desarrollados mediante energía de microondas. El espectro XRD de la superficie revestida con láser (Fig. 6a) revela que la mayoría de los picos son carburos de cromo y se observan picos menores como hierro-níquel y cromo-níquel. Está claro que la descarburación del Cr3C2 da como resultado la formación de carburos de cromo como Cr7C3 y Cr23C6. Cr7C3 se forma principalmente a partir de la descarburación de Cr3C2 debido al estado de fusión masiva del calentamiento en el proceso de revestimiento por láser. Esto se confirma por el hecho de que se encuentran muchos Cr7C3 alrededor de las partículas de Cr3C228. Por tanto, lo ideal es que una proporción de carbono precipite como Cr23C6. La fusión a alta temperatura del proceso de revestimiento por láser provoca la disolución parcial del Cr3C2 primario, y esta podría ser una de las principales posibilidades para la formación de tipos de carburos de cromo. Tal comportamiento mejora el contenido de carbono y cromo del baño de fusión, lo que estimula la formación de muchas otras fases de carburo durante la mayor parte del proceso de enfriamiento fuera de equilibrio. La formación de varios carburos de cromo (Cr3C2 y Cr23C6) también se registró anteriormente para el revestimiento láser de Ni60-Cr3C210. El aglutinante NiCr forma picos menores como el cromo-níquel (Cr3Ni2, CrNi).

Un espectro XRD típico de revestimientos basados en Cr3C2-NiCr de (a) energía láser, (b) energía de microondas.

Es probable que este aglutinante de NiCr se derrita inicialmente y cristalice algo de carburo de cromo en una fase líquida (Cr3Ni2) que puede ser rica en Cr y C. El hierro-níquel (FeNi3) puede deberse a la difusión de elementos de hierro desde la superficie objetivo hasta el revestimiento. , que es una prueba clara de la unión metalúrgica del sustrato al revestimiento. Otra observación interesante parece ser el desarrollo del intermetálico ferromagnético FeNi3, a pesar de que el polvo revestido elegido no contenía hierro (Tabla 1). Estos resultados indican la dilución de elementos en los que se ha diluido el hierro del sustrato. La formación de este tipo de intermetálicos también se informó anteriormente12. En la Fig. 6b se muestran los espectros XRD típicos de revestimiento compuesto (Cr3C2-NiCr) desarrollados mediante energía de microondas. En la prueba XRD se puede observar la existencia de diferentes fases como carburos de cromo (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), hierro-níquel (FeNi3) y cromo-níquel (Cr3Ni2, CrNi), carburo de hierro (Fe7C3). La descarburación de partículas de Cr3C2 durante el calentamiento híbrido por microondas forma Cr7C3 y Cr23C6. Las fases Cr3Ni2 y FeNi3 podrían deberse a la difusión de elementos de cromo, níquel y hierro desde el sustrato al revestimiento a temperatura elevada, lo que es una clara indicación de la unión metalúrgica del sustrato al revestimiento. La fase de carburos de hierro (Fe7C3) podría atribuirse a la dilución de elementos de hierro desde el sustrato hasta la región del revestimiento durante el revestimiento de microondas. Estas fases no se notaron en la superficie revestida con láser, posiblemente debido a que la rápida solidificación y la velocidad de difusión fueron menores que en el proceso de revestimiento con microondas. Como se analizó en el análisis EDS, se observó que el polvo revestido Cr3C2-NiCr estaba completamente entremezclado y fusionado dentro del sustrato. La superficie revestida desarrollada debe mezclarse adecuadamente con el material base. Por tanto, la velocidad de difusión del sustrato es inevitable. La mayor tasa de difusión del revestimiento de microondas da como resultado la interacción gradual entre el sustrato y el polvo del revestimiento, formando aún más los carburos de hierro. La formación de estos carburos de hierro indica la causa de una excelente unión metalúrgica durante el calentamiento híbrido por microondas. Finalmente, se observa en ambos procesos que hay una buena cantidad de carburos de cromo segregados en la capa de revestimiento desarrollada junto con intermetálicos, lo que ayuda aún más a aumentar la dureza y resistencia al desgaste de los recubrimientos desarrollados en ambos procesos.

El estudio microestructural ayuda a comprender las diferentes fases presentes, su composición, límite de grano, inclusión, porosidad, etc., que aparecen en la sustancia examinada. Ayuda a examinar la influencia de la microestructura en las diferentes propiedades de los revestimientos. Como resultado, se han realizado estudios sobre las microestructuras del revestimiento desarrollado.

Las microestructuras del revestimiento láser compuesto a base de Cr3C2-NiCr se muestran en la Fig. 7. La estructura es interdendrítica completamente densa con una fase de aleación rica en níquel y dendritas con espacios de carburo de cromo. La microestructura desarrollada suele estar solidificada, con carburos como dendritas y una fase rica en Ni que domina los espacios interdendríticos. También se observa que varias dendritas columnares crecen perpendicularmente a la capa de interfaz y a la estructura interdendrítica en la parte inferior de la capa de carburo, y se notan pocas dendritas en la parte intermedia de la capa de revestimiento. Se informa que las características de este tipo de estructura típica están directamente relacionadas con la velocidad de solidificación (R) y el gradiente de temperatura (G) de la aleación líquida en el baño de fusión del láser. Al comienzo de la solidificación, había un valor G mayor y un valor R pequeño en la parte inferior de la capa de revestimiento. Este valor de G/R se redujo gradualmente a cero más cerca de la superficie con el proceso de solidificación, lo que conduce aún más a la causa del crecimiento de cristales mencionado anteriormente29. Algunas dendritas columnares gruesas fueron reemplazadas por dendritas diminutas cubiertas por un eutéctico brillante. Esto fue causado por el punto de fusión extremadamente alto de las partículas de Cr3C2, que estaban abundantemente presentes en el charco derretido y alterarían los campos de temperatura antes de los límites líquido-sólido, afectando la estructura de solidificación (Fig. 7c). La ausencia de microfisuras y porosidad ha demostrado que los parámetros técnicos considerados para este estudio han asegurado una alta calidad del proceso de revestimiento por láser. También se informó en otros lugares30 de una zona cristalina plana y gruesa similar entre el enlace y la ZAT.

Microestructura de una sección transversal revestida con láser basada en Cr3C2-NiCr: (a) una imagen FE-SEM típica de una sección transversal de un revestimiento láser de Cr3C2-NiCr, (b) una vista ampliada de la estructura densa revestida con láser, (c) Vista ampliada de la región de la interfaz.

En la Fig. 8 se muestra una sección transversal típica de la sección transversal revestida de microondas desarrollada. El proceso de revestimiento de microondas ofrece un control preciso sobre los parámetros de calentamiento, como el nivel de potencia y el tiempo de calentamiento, lo que permite la optimización del proceso de revestimiento. Este control permite la formación de una microestructura deseable y facilita la eliminación de la porosidad, lo que da como resultado una estructura libre de poros con una mayor fuerza de unión. En comparación con otras técnicas de revestimiento, como el láser o la pulverización térmica, el revestimiento por microondas puede lograr una mejor unión metalúrgica. Las características únicas del calentamiento volumétrico, las rápidas velocidades de calentamiento y enfriamiento y el control preciso de los parámetros de calentamiento contribuyen al rendimiento superior del revestimiento de microondas, lo que lo destaca entre los métodos de revestimiento alternativos. Se observa que el revestimiento de microondas desarrollado muestra una buena unión con el sustrato mediante difusión mutua parcial de elementos. Una interfaz revestida de sustrato está libre de discontinuidades perceptibles. La interfaz ondulada observada entre el sustrato y la estructura del revestimiento se puede ver (Fig. 8a) debido a la corriente del charco de fusión localizada durante el calentamiento por microondas. La velocidad de fusión del polvo revestido y del sustrato depende directamente de la corriente del baño de fusión. También se observó que los revestimientos de microondas desarrollados están libres de poros observables y que las grietas interfaciales y las regiones del revestimiento parecen libres de defectos. La vista ampliada de la sección revestida se muestra en la Fig. 8b, que muestra que las partículas duras de carburo de cromo permanecen consistentemente dispersas dentro de la matriz blanda de níquel. Las partículas de níquel del polvo revestido comienzan a fundirse primero cuando las microondas inician la interacción durante el calentamiento por microondas, y las partículas de carburo duro continúan distribuyéndose uniformemente dentro de la matriz blanda (Fig. 8b). La estructura del revestimiento libre de defectos se puede notar debido a la velocidad de solidificación más lenta del baño de fusión. Diversos carburos, inicialmente carburo de cromo y otros carburos metálicos complejos, se aglomeran parcialmente debido a la corriente del baño de fusión y permanecen uniformemente diseminados. Estos carburos podrían fortalecer aún más la estructura revestida desarrollada y actuar como refuerzo en el compuesto desarrollado. La naturaleza del carácter de calentamiento volumétrico está directamente asociada con el calentamiento por microondas híbrido, que se ve afectado por un grado térmico mínimo en la superficie expuesta del microondas. Los carburos se distribuyen uniformemente en la estructura del revestimiento, lo que puede deberse a la lenta tasa de solidificación del baño de fusión. En otros lugares se informan tipos similares de carburos metálicos distribuidos uniformemente17,31. La formación de dendritas celulares no se observó en ninguna parte de la estructura revestida de microondas desarrollada. Esto podría deberse a un gradiente térmico uniforme que no permite que la célula se convierta en dendritas32.

Microestructura de la sección transversal del revestimiento de microondas a base de Cr3C2-NiCr: (a) una imagen FE-SEM típica de una sección transversal del revestimiento de microondas de Cr3C2-NiCr, (b) Vista ampliada de la estructura del revestimiento de microondas.

Se realizó un análisis EDS en varios lugares y los resultados equivalentes se presentan en las Figs. 9 y 10 respectivamente. Como se observa en la microestructura del revestimiento láser que se muestra en la Fig. 9a, se pueden ver tres fases en la microestructura: gris, blanco claro y gris claro, mencionadas como 1, 2 y 3, respectivamente. El punto número 1 exhibe carburos metálicos de la matriz revestida desarrollada, mientras que los puntos 2 y 3 designan las posiciones en la región de interfaz. Los estudios EDS del primer punto (Fig. 9b) revelan que la aparición de Cr y C influye en la fase gris con impactos de aproximadamente 76,86% y 9,87%, respectivamente. La existencia de carburos metálicos duros (CrxCY) en los revestimientos del láser, como se analiza en la sección "Análisis de fase XRD", indica las perspectivas de mostrar una mejor resistencia al desgaste.

Estudios EDS típicos del revestimiento láser: (a) imagen FE-SEM que muestra ubicaciones (estudios EDS), (b) estudios EDS de ubicación (punto 1) en revestimiento desarrollado, (c) espectro EDS en la interfaz (punto 2), (d) Estudios EDS de fase gris (punto 3).

Espectro EDS típico de los revestimientos de microondas (a) Imagen FE-SEM que revela ubicaciones de estudios EDS, (b) estudios EDS de una ubicación en el revestimiento (punto 1), (c) estudios EDS sobre el límite de grano de la matriz del revestimiento (punto 2 ).

Mientras tanto, el estudio EDS del punto 2 (fase blanca) en la región de interfaz denota la existencia de elementos como Cr, C y Fe (Fig. 9c). El punto número 3 del estudio EDS (fase gris claro) de la interfaz, la región indica la existencia de los elementos mayoritarios como Fe, Cr, C y Ni (Fig. 9d). La capa revestida de un polvo revestido fundido puede provocar la dilución de Fe y Mo, dando como resultado su presencia. Por lo tanto, el revestimiento comprende una matriz relativamente fuerte (a base de Fe-Cr-Ni). Por lo tanto, la distribución uniforme de los carburos actúa como refuerzo, lo que ayuda aún más a aumentar la resistencia al desgaste de las matrices metálicas resistentes del revestimiento láser compuesto a base de Cr3C2-NiCr. Se puede observar que la fina estructura dendrítica de la región de interfaz ayuda a mejorar las propiedades tribológicas. Investigaciones anteriores han demostrado que este tipo de estructura mejora las propiedades tribológicas del componente objetivo. Se espera que la razón principal de esta incidencia sea la dilución de los elementos de Fe del polvo revestido y la unión metalúrgica. Se encontró contenido de Fe en recubrimientos refundidos según el análisis EDS33.

Como lo demuestra la microestructura del revestimiento desarrollada (Fig. 10a), se observan dos fases únicas: el grano y el límite del grano, que se mostraron como 1 y 2, respectivamente. El punto número 1 significa el grano y la matriz de revestimiento desarrollada influenciada por la aparición de Fe, Ni y Cr con distribuciones de aproximadamente 56%, 10% y 23%, respectivamente, como se muestra en la Fig. 10b. Se observa que un mayor porcentaje de hierro se atribuye al charco de fusión del polvo revestido fundido causado por corrientes convectivas localizadas, lo que conduce además a una interacción elemental entre el polvo revestido y el sustrato objetivo. Lo que queda claro es que el revestimiento desarrollado comprende una matriz resistente (Fe-Ni-Cr). Además, Fe, Ni y Cr habían formado intermetálicos como Cr3Ni2; FeNi3 se observa en los estudios XRD de revestimientos de microondas (Fig. 6b). Los estudios de EDS del punto 2 (Fig. 10c) marcados en el límite de grano enriquecido con Cr y C contribuyen aproximadamente con el 83% y el 10%, respectivamente. Esto indica que el límite de grano del revestimiento desarrollado tiene carburos metálicos reforzados en la matriz del revestimiento desarrollado. La aparición de carburos metálicos en los revestimientos de microondas desarrollados significa la probabilidad de tener una dureza y resistencia a la erosión superiores. Por lo tanto, es una señal clara del análisis EDS que la distribución uniforme de carburos metálicos duros (Cr3C2, Cr7C3, Cr23C6) actúa como refuerzo en la matriz resistente de los revestimientos de microondas (Cr3C2-NiCr), que se espera que proporcionen resistencia a desgaste a temperatura elevada.

La microdureza se midió en las secciones transversales del revestimiento láser y de microondas. Se buscó conocer la variación de la microdureza entre la capa de revestimiento desarrollada y el sustrato base. Las distribuciones de microdureza se ilustran en la Fig. 11. La microdureza promedio del sustrato (T91) fue 418 ± 12HV. Sin embargo, los autores observaron que el revestimiento de microondas tenía partículas duras de carburo de cromo dispersas consistentemente dentro de la matriz blanda de níquel. El análisis de fases de rayos X de ambos procesos evidenció la presencia común de fases como carburos de cromo (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), hierro níquel (FeNi3) y cromo-níquel (Cr3Ni2, CrNi), a pesar de estas fases carburos de hierro (Fe7C3). se observan en los revestimientos de microondas desarrollados. Las distribuciones homogéneas de dichos carburos en la estructura revestida desarrollada de ambos procesos indicaron una mayor dureza. La microdureza típica del revestimiento láser (1142 ± 65 HV) fue aproximadamente un 22% mayor que la del revestimiento de microondas (940 ± 42 HV). Como se analizó en el análisis EDS, el polvo revestido Cr3C2-NiCr estaba completamente entremezclado y fusionado dentro del sustrato (sección "Observación microestructural"). La difusión desde el sustrato es inevitable porque la superficie revestida desarrollada debe mezclarse adecuadamente con el material base. Por lo tanto, se pueden notar variaciones menores en los perfiles de dureza de ambos revestimientos debido al elemento Fe del sustrato objetivo. Sin embargo, se observaron varias zonas de ondulación en los valores de microdureza en las secciones; Estas distribuciones no uniformes en todo el segmento se atribuyen a la alteración en la dureza de la matriz metálica resistente y al refuerzo a base de carburo duro, así como a los efectos de calentamiento de ambos procesos, lo que resulta en cambios microestructurales causados por sucesivos revestimientos desarrollados mediante energía láser y microondas. . Se informó experimentalmente que cada vez que se fusionaban partículas de carburo duro en una superficie más blanda, la dureza de la misma superficie mejoraba34,35. Muchos otros científicos también han experimentado un comportamiento similar en la fusión de partículas duras en superficies más blandas, y los resultados fueron consistentes con los hallazgos de Li Pengting et al.36. También se observa que la microdureza del revestimiento láser es mayor, posiblemente debido a la formación de una estructura dendrítica que limita la distorsión plástica formada por el penetrador. De este modo, la superficie revestida con láser desarrollada se vio reforzada por la estructura dendrítica. Las tensiones residuales también pueden afectar la microdureza del revestimiento desarrollado. El proceso de revestimiento por láser a menudo genera temperaturas transitorias y gradientes térmicos más altos, lo que puede inducir tensiones residuales más altas. Estas tensiones residuales de compresión pueden aumentar la microdureza de los revestimientos láser37,38. El proceso de revestimiento por láser normalmente implica una velocidad de enfriamiento más rápida que el proceso de revestimiento por microondas. El revestimiento láser a menudo implica un enfriamiento y una solidificación más rápidos, lo que da lugar a microestructuras finas y distribuidas uniformemente, como la estructura dendrítica fina, que generalmente se asocia con una mayor microdureza39,40. En el proceso de revestimiento por microondas, con su proceso de calentamiento único, una velocidad de enfriamiento relativamente más lenta con un comportamiento de solidificación diferente puede dar como resultado diferentes perfiles de tensión residual, lo que podría conducir a una microdureza más baja que los revestimientos láser desarrollados. Sin embargo, los revestimientos a base de Cr3C2-NiCr desarrollados a través de ambos procesos tenían una microdureza mucho mayor que la del sustrato objetivo, lo que puede estar relacionado principalmente con la formación de carburos (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6, Fe7C3).

Muestra el perfil de microdureza de Vickers del revestimiento por láser (negro) y del revestimiento por microondas (rojo).

Las características de desgaste de las muestras revestidas con microondas y revestidas con láser se evaluaron mediante una prueba de desgaste lineal alternativo de bola sobre placa. Los parámetros de prueba, incluidas las variaciones de carga y la distancia de deslizamiento, se presentan en la Tabla 3. La investigación se centró en el comportamiento de desgaste por fatiga y fricción de las muestras. Durante las condiciones iniciales de prueba, se observó que las muestras revestidas con microondas exhibían un coeficiente de fricción (COF) de 0,80 µ en comparación con el COF de las muestras revestidas con láser de 0,61 µ. Esto se puede atribuir a la menor dureza de los revestimientos de microondas desarrollados.

Sin embargo, a medida que aumentaron los parámetros de la prueba, el COF de las muestras revestidas con microondas aumentó drásticamente debido al desgarro de la capa superficial desarrollada, como se ilustra en la Fig. 12c, d. Por otro lado, las muestras revestidas con láser demostraron un COF más bajo a medida que aumentaban la carga y la distancia de deslizamiento, como se muestra en las figuras 12a,b. Esto sugiere que los carburos de cromo en los revestimientos láser actuaron como lubricante interno, reduciendo el coeficiente de fricción y mejorando la resistencia al desgaste. La comparación entre los revestimientos de microondas y láser en cuanto al comportamiento de desgaste reveló las diferentes características y rendimiento de las dos técnicas. Si bien los revestimientos de microondas inicialmente exhibieron un COF más bajo, el desgarro de la capa superficial resultó en una mayor fricción. Por el contrario, el revestimiento láser demostró un COF consistentemente más bajo, lo que indica sus propiedades lubricantes y resistentes al desgaste superiores atribuidas a los carburos de cromo.

Morfologías de superficie desgastada de revestimiento a base de (Cr3C2-NiCr): revestimientos láser (a) 10 N, 250 m (b) 20 N, 500 m; Revestimientos de microondas (c) 10 N, 250 m, (d) 20 N, 500 m.

La Figura 12a, b presenta las imágenes desgastadas de las muestras revestidas con láser. A diferencia de las muestras revestidas con microondas, el revestimiento láser mostró una resistencia al desgaste superior en las condiciones de prueba. Los elementos de carburo duro como Cr7C3 y Cr23C6 desempeñaron un papel importante en la prevención del desprendimiento de partículas fundidas de la superficie, mejorando la resistencia al desgaste. La superficie uniforme y robusta del revestimiento láser dio como resultado una pérdida mínima de material durante las pruebas. La incorporación de carburos en la región dendrítica aumentó la dureza y la resistencia al desgaste, aunque redujo el camino libre medio40,41. La Figura 12c,d muestra la superficie desgastada de las muestras revestidas con microondas, que exhibieron más daños superficiales y pérdida de material que las muestras revestidas con láser. El microcorte del aglutinante relativamente blando, seguido del aflojamiento y extracción del carburo, contribuyó a la eliminación del material. Además, con cargas más elevadas, la fractura del carburo inducida por fatiga provocaba pérdida de material. Los principales mecanismos de desgaste observados durante el desgaste por fricción fueron la descamación de la matriz, la fractura del carburo y la extracción, posiblemente debido a partículas duras de carburo de cromo dispersas consistentemente dentro de la matriz blanda de níquel.

La comparación entre los revestimientos láser y de microondas, como se muestra en las imágenes desgastadas de la Fig. 12, resalta las diferencias en el comportamiento del desgaste. Los revestimientos láser demostraron una mayor resistencia al desgaste debido a la retención efectiva de partículas fundidas y una superficie uniforme y duradera. Por el contrario, los revestimientos de microondas demostraron un mayor daño superficial y pérdida de material, atribuidos predominantemente al microcorte, el aflojamiento del carburo, la fractura del carburo inducida por fatiga y la formación de una capa lisa. La Figura 12d ilustra el desarrollo de una capa lisa durante el desgaste por fricción, lo que implica la creación de una superficie pulida o relativamente plana en el revestimiento de microondas en condiciones de fricción. Esta capa lisa se observa típicamente en la región de la superficie desgastada y puede atribuirse a múltiples factores. Durante el desgaste por fricción, la carga cíclica y el movimiento relativo entre dos superficies en contacto dan como resultado un microdeslizamiento y deslizamiento repetitivos en la interfaz. Este movimiento conduce a la eliminación de irregularidades de la superficie del revestimiento y a la formación de restos de desgaste. A medida que persiste el proceso de desgaste, la rugosidad y las irregularidades iniciales en la superficie revestida de microondas disminuyen gradualmente, lo que da como resultado una apariencia de superficie más suave. Varios factores, incluidas las propiedades del material, las condiciones de contacto y la lubricación, pueden influir en la formación de una capa lisa. En ciertos casos, las películas protectoras o capas de óxido sobre la superficie del material pueden contribuir a desarrollar una capa suave al actuar como una barrera contra mayores daños o desgaste de la superficie42. Estos hallazgos proporcionan información valiosa sobre los mecanismos de desgaste asociados con el revestimiento con láser y microondas, enfatizando las ventajas del revestimiento con láser en términos de resistencia al desgaste y preservación del material.

El trabajo actual instituye la probabilidad de utilizar energía de microondas igual a la energía del láser para desarrollar revestimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr sobre el sustrato de acero T91. Las principales observaciones se extraen del trabajo actual de la siguiente manera.

Se han desarrollado revestimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr sobre el sustrato de acero T91 mediante irradiación láser y microondas. Ambos procesos desarrollaron revestimientos que mostraron una excelente unión metalúrgica con el sustrato objetivo.

El láser compuesto a base de Cr3C2-NiCr reviste estructuras interdendríticas densas con fases ricas en níquel y dendritas con espacios de carburo de cromo. En el caso de los revestimientos de microondas, las partículas duras de carburo de cromo se dispersaron consistentemente dentro de la matriz blanda de níquel.

El espectro de revestimiento de ambos procesos evidenció la presencia común de fases como carburos de cromo (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6), hierro níquel (FeNi3) y cromo-níquel (Cr3Ni2, CrNi); a pesar de estas fases, se observan carburos de hierro (Fe7C3) en los clados desarrollados mediante energía de microondas.

Los revestimientos compuestos a base de Cr3C2-NiCr desarrollados mediante ambos procesos tenían una microdureza mucho mayor que la del sustrato objetivo, lo que puede estar relacionado principalmente con la formación de carburos (Cr7C3, Cr3C2, Cr23C6, Fe7C3).

La microdureza promedio de los revestimientos desarrollados de energía láser y microondas aumentó 2,7 veces y 2,3 veces en comparación con la microdureza promedio del sustrato (418 ± 18HV).

El proceso de revestimiento por microondas es un método de procesamiento de materiales rentable, ecológico y energéticamente eficiente.

El estudio analizó el comportamiento de desgaste de muestras de revestimiento láser y de microondas mediante una prueba lineal recíproca de bola sobre placa. Las muestras revestidas con microondas tenían un coeficiente de fricción ligeramente menor, pero aumentaron a medida que aumentaban la carga y la distancia de deslizamiento. El revestimiento láser mostró un coeficiente más bajo, posiblemente debido a la lubricación interna del carburo de cromo.

Las muestras de revestimiento láser mostraron una resistencia superior al desgaste debido a los elementos de carburo duro, lo que impidió que las partículas fundidas se desprendieran y dio como resultado una superficie uniforme y duradera. Las muestras revestidas con microondas mostraron más daños en la superficie y pérdida de material, impulsados por microcorte, aflojamiento del carburo y fractura del carburo inducida por fatiga.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen al número del Proyecto de Apoyo a los Investigadores (RSP2023R6), Universidad Rey Saud, Riad, Arabia Saudita.

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Correspondencia a Ajit M. Hebbale, Manzoore Elahi Mohammad Soudagar o Nabisab Mujawar Mubarak.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Hebbale, AM, Kumar, M., Soudagar, MEM et al. Estudio comparativo de las características de revestimientos compuestos (Cr3C2-NiCr) desarrollados mediante láser de diodo y energía de microondas. Representante científico 13, 10778 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37991-4

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Recibido: 28 de marzo de 2023

Aceptado: 30 de junio de 2023

Publicado: 04 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37991-4

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