Los recubrimientos cerámicos nanoestructurados no se fatigan, según un estudio

Oct 01, 2023

17 de noviembre de 2022

por la Universidad Tecnológica de Viena

Los revestimientos cerámicos extremadamente finos pueden cambiar por completo las propiedades de los componentes técnicos. Los recubrimientos se utilizan, por ejemplo, para aumentar la resistencia de los metales al calor oa la corrosión. Los procesos de recubrimiento juegan un papel importante en las grandes palas de turbinas, así como en las herramientas sometidas a grandes esfuerzos en la tecnología de producción.

TU Wien (Viena) ahora ha investigado qué determina la estabilidad de tales recubrimientos. Y los resultados, algunos de los cuales se obtuvieron en el sincrotrón DESY de Hamburgo, son bastante sorprendentes: las capas de cerámica se descomponen de forma completamente diferente a los metales. La fatiga del material apenas juega un papel; el factor decisivo es la intensidad de los picos de carga extrema (el llamado factor de intensidad de tensión). Este hallazgo cambiará el método utilizado para medir y mejorar aún más la resistencia de las películas delgadas en el futuro.

El estudio se publica en Acta Materialia.

"En muchas aplicaciones, las cargas periódicas son un gran problema", dice el Prof. Helmut Riedl, jefe del grupo de investigación de Tecnología de Revestimiento y Superficies Aplicadas en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales en TU Wien. "Si expone los componentes metálicos a una determinada fuerza una y otra vez, se producen cambios a escala microscópica". Algunos átomos pueden cambiar, se forman capas que pueden deslizarse unas sobre otras, se pueden desarrollar pequeñas grietas y, en última instancia, conducir a la fractura de todo el componente. Dichos efectos de fatiga del material son omnipresentes en la ingeniería y están bien estudiados.

Sin embargo, lo que sucede con los recubrimientos delgados bajo tensión es menos claro. "Los recubrimientos cerámicos a menudo tienen un grosor de unos pocos nanómetros a 10 µm, su comportamiento es completamente diferente al de una pieza sólida de cerámica", dice Lukas Zauner, quien está trabajando en su disertación en el Grupo de Investigación de Tecnología de Revestimiento y Superficies Aplicadas.

Para obtener una comprensión más profunda de este comportamiento, se desarrollaron métodos de medición completamente nuevos en TU Wien: en lugar de probar el revestimiento de metal y cerámica juntos, como se hace habitualmente, el equipo omitió el metal y produjo muestras extremadamente delgadas de varios materiales cerámicos que se usan normalmente. en tecnología de película delgada y los expuso a varias cargas de una manera definida con precisión, una y otra vez, hasta diez millones de veces.

Para averiguar exactamente si la estructura atómica de la cerámica cambia como resultado, el equipo llevó la configuración experimental a Hamburgo: allí, los rayos X extremadamente bien enfocados están disponibles en el sincrotrón de DESY, que puede usarse para examinar varios puntos de la muestra durante el experimento de carga. Incluso pequeños cambios en la estructura cristalina o en la distancia entre átomos vecinos deberían ser detectables de esta manera.

Pero sorprendentemente, estas medidas mostraron: La cerámica prácticamente no cambia. Incluso millones de ciclos de carga no provocan la fatiga del material. "La cerámica estándar se fatigaría de acuerdo con ciertos patrones, similar al tipo de fatiga que conocemos de los metales. Pero estas capas extremadamente delgadas no muestran este comportamiento", dice Helmut Riedl. "Su microestructura es la misma al final que al principio".

Esto significa que la durabilidad de las capas delgadas está determinada exclusivamente por su resistencia a la fractura: si supera un límite de carga característico del material, la capa se destruye de forma repentina e irreversible. Sin embargo, todas las cargas por debajo de este límite no son un problema, no envejecen la capa cerámica, prácticamente no tienen ningún efecto.

"Por supuesto, esto también cambia la estrategia de cómo se diseñan los proyectos de investigación para nuevos materiales de revestimiento cerámicos mejorados", dice Helmut Riedl. "No tiene que hacer largas pruebas a largo plazo, basta con averiguar con una simple prueba de carga qué material se rompe bajo qué fuerza. No tiene que preocuparse por cómo aliviar los efectos de la fatiga en el material, puede solo tengo que encontrar materiales con la mayor resistencia a la fractura posible, incluso esto no es una tarea simple en sí misma".

El equipo ya ha podido encontrar un excelente candidato para esto: una cierta forma de diboruro de cromo demostró ser sorprendentemente resistente en las pruebas. Esto allana el camino para futuras investigaciones prometedoras que obtengan el mayor éxito.

Más información: L. Zauner et al, Evaluación de la resistencia a la fractura y fatiga de películas delgadas nanoestructuradas, Acta Materialia (2022). DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118260

Información del diario:Revista de materiales

Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena