Influencia del tratamiento con láser pulsado sobre el comportamiento frente a la corrosión en medio salino de la aleación AA2024-T3 J. I. Ahuir-Torres, M. A. Arenas, A. Conde y J. de Damborenea Departamento de Ingeniería de Superficies, Corrosión y Durabilidad, Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas CENIM-CSIC Av. Gregorio del Amo 8 – 28040 Madrid Introducción La presencia de estas microcavidades se debe a una distribución de energía irregular en el haz (Figura 3) -el láser no emite en el modo TEM00- Al no ser una distribución gaussiana, pueden aparecer varios máximos de energía que se traducen en la formación de microcavidades en las zonas impactadas por el pulso láser. La aparición de estas cavidades podrían ser de interés desde el punto de vista tribológico al poder actuar como reservorios de lubricante o incluso atrapar las partículas producidas durante el desgaste, lo que mejoraría su comportamiento tribológico. Las aleaciones de aluminio de la serie 2XXX, especialmente la AA 2024, son ampliamente utilizadas en la industria aeroespacial por sus excelentes propiedades mecánicas, alta tolerancia al daño y baja densidad. Sin embargo son muy susceptibles a la corrosión por picaduras y presentan una baja resistencia al desgaste. Hasta la fecha se han desarrollado una gran cantidad de tratamientos de modificación superficial con el fin de mejorar ambas propiedades. Los tratamientos con láser son una alternativa atractiva dado que permiten mejorar las características superficiales de resistencia frente a la corrosión y al desgaste sin comprometer el resto de las propiedades (mecánicas) de la aleación. El empleo de láseres pulsados permite tratar la superficie dotándola de nuevas funcionalidades. Para una frecuencia determinada de los pulsos y variando la velocidad de barrido se pueden conseguir desde microcavidades puntuales hasta su solapamiento, llegándose a producir en este último caso una modificación total y continua de la superficie. En el presente trabajo se presentan los resultados obtenidos en una aleación AA 2024-T3 tratada con un láser de Nd:YAG (modo Q-switch), estudiándose su comportamiento frente a corrosión. Figura 6. Evolución del potencial a circuito abierto con el tiempo en muestras preparadas con el 70 % de solape. Figura 3. Distribución espacial de energía en el haz de salida (cámara de infrarrojos WinCAMD y análisis mediante DataRay) Todas muestras ensayadas muestran una evolución del potencial de corrosión frente al tiempo similar, independientemente de las condiciones de procesado. Inicialmente, las muestras tratadas presentan valores del potencial unos 100 mV más nobles que la aleación sin tratar (-430mV vs -535mV), resultado del enriquecimiento en Cu de la capa externa del material tratado. Sin embargo, a las pocas horas de inmersión, estos valores son análogos a los de la aleación de partida (Figura 6) que se mantienen constantes desde el inicio del ensayo. Materiales y Métodos Materiales: Aluminio 2024-T3 (Ra= 0.13±0.01 mm). Tratamiento: En el presente trabajo se ha empleado un láser de Nd:YAG pulsado (LOTIS LS 2147) con una frecuencia de 10 Hz y con modo Q- Switch. La duración del pulso es de 12-18 ns, operando en el modo fundamental de 1064nm. El haz, con una energía media de salida de 900 mJ (48J de energía de bombeo), se dirigió mediante dos espejos, focalizándose sobre la probeta mediante una lente de 150mm de distancia focal. El tratamiento se realizó en una atmósfera protectora de argón. Las velocidades de barrido empleadas fueron: 0.5 mm/s, 1.0 mm/s y 1.5 mm/s, siendo el grado de solape de 10%, 50% y 70% con respecto a la anchura de la zona tratada. Caracterización: La topografía superficial se analizó mediante microscopía óptica y confocal (SENSOFAR Plµ2300). El análisis de la zona tratada se realizó mediante espectroscopía de energías dispersivas y microscopía electrónica de barrido (JEOL JSM6500F). Los ensayos de corrosión se realizaron en 0.06 M de NaCl a 298 K mediante el registro del potencial a circuito abierto y curvas de polarización potenciodinámicas (GAMRY REF 600). En la figura 4 se presentan una imagen obtenida mediante microscopía confocal de la superficie tratada a 1.5 mm/s. En estas condiciones experimentales, el impacto del haz sobre el material genera una cavidad de aproximadamente 150 µm de diámetro. La rugosidad media de las zonas tratadas aumenta de 0.7 µm para la velocidad más baja, a 1.0 μm para la de 1.5 mm/s. Figura 4. Imágenes de los impactos sobre la muestra a una velocidad de 1.5 mm/s Resultados y Discusión En las figuras 1 y 2, se observa que la superficie tratada depende tanto del grado de solapamiento como de la velocidad de barrido. Para un 50 y 70% de solape, la zona tratada es homogénea a diferencia de lo que sucede cuando el solapamiento es de un 10% donde, debido a la distribución de energía del haz, pueden coexistir zonas donde la energía no ha sido suficiente como para provocar la modificación superficial de la aleación. En las condiciones óptimas (0.5mm/s y 70%), la zona tratada presenta un espesor medio de 5.5±0.5 m y una disminución de intermetálicos (Figura 5). 1 cm 1.5 1.0 0.5 Velocidad de barrido (mm/s) 10 50 70 Solapamiento (%) Figura 7. Curvas de polarización, tras 96h de inmersión. Influencia de la velocidad de barrido en muestras preparadas con un 70 % de solape Las curvas de polarización de las figuras 7 y 8, realizadas a una velocidad de 0.16mV/s, revelan un comportamiento similar para todas las muestras ensayadas. Se puede apreciar una rama catódica prácticamente vertical lo que indica que el sistema se encuentra bajo control por difusión. La muestra sin tratar exhibe una densidad de corriente de corrosión de 5 mA/cm2 . Figura 1. Aspecto de las zonas tratadas En la figura 1 se muestra la macrografía de las zonas tratadas en función del grado de solape y la velocidad de barrido. En ella se observa que la modificación superficial de la aleación es uniforme en toda la zona tratada; a mayor grado de solape, mayor homogeneidad superficial. La figura 2 presenta una vista longitudinal de la superficie obtenida. En ella se distingue la morfología de los cordones y se constata la presencia de microcavidades distribuidas sin un patrón espacial determinado. Figura 8. Curvas de polarización, tras 96 horas de inmersión. Influencia del grado de solape en muestras preparadas con una velocidad de 0,5 mm/s. Figura 5. Micrografías MEB de la sección transversal del cordón generado a una velocidad de 0.5 mm/s y 70% de solape. Únicamente los cordones generados a una velocidad de 0.5 mm/s y 70% de solapamiento presentan una densidad de corriente de corrosión ligeramente menor que la aleación sin tratar cuyo valor es de 1.0 mA/cm2. Esta disminución de la cinética corrosiva es consecuencia de la homogenización superficial y refinamiento de los intermetálicos en la superficie del material por efecto del haz láser. En esta figura 5 se distingue la presencia de poros debidos a los gases producidos durante el tratamiento. Los análisis realizados en esta zona mediante EDS, indican que se trata de una capa de aluminio enriquecida en los elementos de aleación. Además, la presencia de oxígeno revela un cierto grado de oxidación a pesar de la protección gaseosa empleada durante el tratamiento (Tabla I). Conclusiones La modificación superficial de la aleación se produce de manera uniforme en toda la zona tratada; a mayor grado de solape, mayor homogeneidad superficial. La presencia de microcavidades distribuidas sin un patrón espacial determinado es consecuencia de la distribución irregular de energía del haz láser. La capa tratada posee un espesor medio de 5.5 µm y una menor densidad de intermetálicos que la aleación base. Los cordones producidos a 0.5 mm/s y con un solapamiento del 70% presentan una mejora en la resistencia a la corrosión respecto de la aleación sin tratar. Zonas O Al Cu Mg Sin tratar - 96.62 2.35 1.03 Tratada 10 86 2.75 1.25 Tabla I. Composición química en las distintas zonas (% atómico) Figura 2.Micrografías ópticas de los cordones solapados Agradecimientos Este trabajo ha sido realizado gracias a la beca FPI del Proyecto SMOTI MAT2009-13751 concedido por el MICINN (actualmente Ministerio de Economía y Competitividad).