Efecto de las características estructurales en la tenacidad a la fractura de recubrimientos cerámicos bimodales de alúmina y óxido de titanio elaborados mediante proyección térmica

Abstract

RESUMEN : En el presente trabajo se investigó el efecto de diferentes características estructurales y de las fases cristalinas , haciendo énfasis en las zonas parcialmente fundidas (ZPF), sobre las propiedades mecánicas, con énfasis en el comportamiento de propagación de grieta (tenacidad a la fractura), de recubrimientos cerámicos de alúmina con 13% en peso de óxido de titanio aplicados mediante proyección térmica por llama oxiacetilénica, en la Universidad de Antioquia y plasma atmosférico en el Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER) de la Universidad de Limoges en Francia. Los recubrimientos monomodales o de estructura convencional (sin presencia de ZPF en su estructura) se fabricaron a partir de polvos comerciales, mezclados mecánicamente, fundidos y molidos de referencia Saint Gobain 107, que sirvieron como base de comparación, mientras que a partir de partículas nanométricas aglomeradas hasta escalas micrométricas y ligeramente sinterizadas, de referencia Oerlikon Metco 6221, se fabricaron recubrimientos de estructura bimodal, es decir, con presencia de ZPF en su estructura, teniendo especial cuidado en los parámetros del proceso para evitar la completa fusión de todas las partículas expuestas a la fuente térmica. Se caracterizó la cantidad, composición química y morfología de las características estructurales de los recubrimientos de estructura mono y bimodal, identificando que, a partir del control de los parámetros del proceso, se obtuvieron diferentes proporciones y morfologías de zonas parcialmente fundidas, clasificadas estás últimas en tres categorías denominadas ZPF1, ZPF2 y ZPF3. Por su parte, se encontró que la cantidad de fase Al2O3-α presente en los recubrimientos es directamente proporcional al porcentaje de ZPF en su estructura, que corresponden al material que no alcanza a fundirse completamente. Por el contrario, cuando la alúmina alcanza un estado líquido, cristaliza en su fase metaestable Al2O3-γ, la cual tiende a formarse gracias a las altas tasas de enfriamiento del proceso, convirtiéndose en la fase principal de los recubrimientos monomodales y de las zonas completamente fundidas de los recubrimientos bimodales. Se encontró además que la composición química de los recubrimientos es heterogénea, con zonas enriquecidas en Ti, promoviendo la existencia de diferentes fases cristalinas, con diversas relaciones de dureza y módulo elástico que, junto con las múltiples morfologías de ZPF presentes, influyen en el desempeño global de los recubrimientos. Mediante ensayos de flexión en tres puntos y generación de grietas a partir indentación Vickers se evidenció como la propagación de grieta varía dependiendo de su interacción con las diversas características estructurales. La estructura laminar, característica de este tipo de recubrimientos, promueve la deflexión de grietas, mientras que las ZPF, dependiendo de su morfología, además de generar deflexión de grieta durante la propagación por la interfaz entre las zonas completamente fundidas (ZCF) y las ZPF, pueden interrumpir o prolongar su crecimiento al presentar zonas con menor resistencia. La deflexión y la interrupción del crecimiento de grietas son fenómenos reconocidos por su contribución a la mejora de la tenacidad a la fractura de los materiales cerámicos. A partir de los resultados de los ensayos de flexión se evidenció que las grietas se propagan en modo I a través de las ZCF; sin embargo, en los recubrimientos de estructura bimodal, las ZPF promueven la deflexión de fisuras y su crecimiento en modo II, corroborando el aumento a la resistencia de propagación de grieta proporcionado por las ZPF.