18.11.2022 - Technische Universität Wien

Los revestimientos cerámicos no se fatigan

¿Qué determina la durabilidad de los revestimientos de alto rendimiento? Los resultados son sorprendentes: No es la fatiga del material

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

La Universidad Técnica de Viena ha investigado qué determina la estabilidad de estos revestimientos. Y los resultados, algunos de los cuales se obtuvieron en el sincrotrón DESY de Hamburgo, son bastante sorprendentes: las capas cerámicas se descomponen de forma completamente diferente a los metales. La fatiga de los materiales apenas influye; el factor decisivo es la intensidad de los picos de carga extrema (el llamado factor de intensidad de la tensión). Este hallazgo cambiará el método utilizado para medir y mejorar la resistencia de las películas finas en el futuro.

Sometido a millones de tensiones

"En muchas aplicaciones, las cargas periódicas son un gran problema", afirma el profesor Helmut Riedl, jefe del grupo de investigación de Tecnología de Superficies y Recubrimientos Aplicados del Instituto de Ciencia y Tecnología de los Materiales de la Universidad Técnica de Viena. "Si se exponen los componentes metálicos a una determinada fuerza una y otra vez, se producen cambios a escala microscópica". Algunos átomos pueden desplazarse, se forman capas que pueden deslizarse unas sobre otras, pueden surgir pequeñas grietas y, en última instancia, conducir a la fractura de todo el componente. Estos efectos de la fatiga de los materiales son omnipresentes en la ingeniería y están bien estudiados.

Sin embargo, lo que ocurre con los revestimientos finos sometidos a tensión no está tan claro. "Los recubrimientos cerámicos suelen tener un grosor de entre unos pocos nanómetros y 10 µm, por lo que su comportamiento es completamente diferente al de una pieza cerámica sólida", explica Lukas Zauner, que está trabajando en su tesis doctoral en el Grupo de Investigación de Tecnología de Superficies y Recubrimientos Aplicados.

Para conocer a fondo este comportamiento, en la Universidad Técnica de Viena se desarrollaron métodos de medición completamente nuevos: en lugar de probar el metal y el revestimiento cerámico juntos, como se hace habitualmente, el equipo dejó de lado el metal, produjo muestras extremadamente finas de diversos materiales cerámicos que se utilizan habitualmente en la tecnología de capas finas y las expuso a diversas cargas de forma precisa, una y otra vez, hasta diez millones de veces.

Rayos X en el sincrotrón

Para averiguar con exactitud si la estructura atómica de la cerámica cambia como consecuencia de ello, el equipo llevó el montaje experimental a Hamburgo: allí se dispone de rayos X extremadamente bien enfocados en el sincrotrón del DESY, que pueden utilizarse para examinar diversos puntos de la muestra durante el experimento de carga. Incluso los cambios más pequeños en la estructura cristalina o en la distancia entre átomos vecinos deberían poder detectarse de esta manera.

Pero, sorprendentemente, estas mediciones demostraron: La cerámica prácticamente no cambia. Incluso millones de ciclos de carga no provocan la fatiga del material. "La cerámica estándar se fatigaría según ciertos patrones, similares al tipo de fatiga que conocemos de los metales. Pero estas capas extremadamente finas no muestran este comportamiento", afirma Helmut Riedl. "Su microestructura es la misma al final que al principio".

Esto significa que la durabilidad de las capas finas viene determinada exclusivamente por su resistencia a la fractura: Si se 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 suponen un problema, no envejecen la capa cerámica, no tienen prácticamente ningún efecto.

Nuevas estrategias de investigación

"Por supuesto, esto también cambia la estrategia de cómo se diseñan los proyectos de investigación de nuevos y mejores materiales de recubrimiento cerámico", dice Helmut Riedl. "No hay que hacer largas pruebas a largo plazo, basta con averiguar mediante una simple prueba de carga qué material se rompe bajo qué fuerza. No hay que preocuparse de cómo paliar los efectos de la fatiga en el material, sólo hay que encontrar materiales con la mayor tenacidad a la fractura posible; incluso esto no es una tarea sencilla por sí sola."

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

  • L. Zauner et al.; Assessing the fracture and fatigue resistance of nanostructured thin films; Acta Materialia; Volume 239, 15 October 2022, 118260

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