Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Effect of Hf on the growth of Al coatings on- martensite ferritic by means of CVD-FBR steels

En las últimas décadas, ha habido un marcado interés por aumentar la temperatura y la presión de vapor en las plantas de generación de energía con el propósito de disminuir el consumo de combustibles. Así, se conseguiría reducir las emisiones de contaminantes tales como CO2 SO2 y NOx. Para lograr estas mejoras, se requiere por un lado desarrollar nuevosaceros ferríticos-martensíticos con contenidos de Cr entre 9-12% y por otro lado, mediante la ingeniería de superficies, mejorar la resistencia a la oxidación de los ya existentes. En el presente trabajo se obtuvieron recubrimientos de Al y de Al-Hf y evaluó el efecto de la adición del Hf al lecho sobre el crecimiento de los recubrimientos de Al. Previamente a la obtención de los recubrimientos, se realizó un estudio termodinámico mediante el programa Themocalc y, de acuerdo a los resultados obtenidos, se depositaron las capas de Al y Al-Hf a tres temperaturas diferentes en el rango de 500 a 600 °C. Los recubrimientos fueron caracterizados mediante DRX y MEB/EDAX. De acuerdo con los resultados obtenidos se determinó que para ambos casos las capas estaban fundamentalmente formadas por los compuestos intermetálicos Fe2Al5 y FeAl3.

In recent decades, there has been a marked interest for increasing the temperature and vapor pressure in the power generation plants with the aim of reducing fuel consumption. So, there would be a reduction in the emissions of pollutants such as CO2, SO2 and NOx. To achieve these improvements, it is required on one hand, to develop new ferritic-martensitic steels with Cr contents between 9-12% and on the other hand, to improve resistance against oxidation of the existing ones by using surface engineering. For this reason, the following work is intended to obtain Al and Al-Hf coatings and evaluate the effect of the addition of Hf to the bed on the growth of the coating of Al. In order to optimize the deposition process, a thermodynamic study was conducted using Themocalc program. Al and Al-Hf layers were deposited at three different temperatures in the range of 500 to 600 ° C. The coatings were subsequently characterized by DRX and SEM / EDS. According to the results, it was found that for both cases, the layers were mainly formed by intermetallic compounds Fe2Al5 and FeAl3.

Chitosan/calcium phosphate coating obtained by electrodeposition on titanium alloy

Los recubrimientos de fosfato de calcio en Ti6AL4V como implantes ortopédicos son conocidos por acelerar el crecimiento óseo y mejorar la fijación del hueso. La deposición electrolítica de estos compuestos bioactivos ha presentado mayores ventajas que los recubrimientos obtenidos por métodos convencionales. Este método electrolítico ha facilitado la posibilidad de adicionar quitosano a la solución de iones calcio y fosfato y fijar este compuesto, funcional y estructuralmente. De esta forma se han obtenido, compuestos de fosfatos de calcio-quitosano sobre un substrato de Ti6Al4V ELI por electrodeposición catódica, los cuales se han caracterizado morfológica y químicamente, mediante SEM-EDX, DRX y FTIR, para determinar la estructura y asociaciones químicas entre los fosfatos de calcio y el quitosano. Además, se evaluó por EIE, la incidencia de la densidad de corriente, el tiempo de electrodeposición y la concentración de quitosano en solución sobre la resistencia a la polarización de los sustratos recubiertos. Se emplearon circuitos equivalentes para modelar el comportamiento fisicoquímico de los recubrimientos desde un punto de vista electroquímico.

Calcium phosphate coatings in orthopedic implants Ti6AL4V are known to accelerate bone growth and improve the fixation of bone. Electrolytic deposition of bioactive compounds has provided greater advantages than the coatings obtained by conventional methods. The electrolytic method has facilitated the ability to add chitosan to the solution of calcium and phosphate ions and fix this compound, functionally and structurally. In this way, composites of calcium phosphate-chitosan on a substrate Ti6Al4V ELI has been obtained by cathodic electrodeposition, which are morphologically and chemically characterized by SEM-EDX, XRD and FTIR, showing the chemical structure and associations between calcium phosphate and chitosan. Furthermore, the impact of the current density, electrodeposition time and the concentration of chitosan solution on the polarization resistance of coated substrates obtained were evaluated by EIS. Equivalent circuits were used to model the physicochemical behavior of the coatings from an electrochemical view point.

Study of the physicochemical characteristics of mesoporous carbons obtained by using SBA-16 mesoporous silica as template

En este trabajo se determinan las características porosas y químicas de carbones mesoporosos sintetizados utilizando sílica mesoporosa tipo SBA- 16 como molde y se correlacionan estas características con la capacidad de adsorció de colorantes, lo cual a su vez se constituye en una técnica mas de caracterización fisicoquímica de estos materiales. Se utilizan dos moldes silíceos tipo SBA-16 con diferencias en su porosidad y sacarosa y etileno como fuente de carbón. Se encuentra que el tamaño, volumen de poro y área superficial de estos materiales se pueden modular mediante la selección del molde pero no sus características químicas. Los carbones mesoporosos se sintetizan por el método húmedo, en el cual se utiliza sacarosa como fuente de carbono o por deposición de vapores de etileno utilizando dos sílicas mesporosas con diferentes características de porosidad.

The objective of this work is to determine the porous and chemical characteristics of mesoporous carbons synthesized by using SBA-16 mesoporous silica as template. The evaluation of the ability of adsorbing dyes contributes to the physicochemical characterization of these materials. Two SBA-16 mesoporous silica with different porous characteristics are used as templates and sucrose and ethylene are the sucrose sources. The pore size and volume of the mesoporous carbons can be modulated by the selection of the template. It does not occur for the chemical properties.

Study by X-ray diffraction of the residual stress produced during deposition of TiN thin films on metallic substrates

En este trabajo se analizó la influencia que tiene el espesor de la película y el tipo de sustrato en el nivel y tipo de esfuerzos residuales generados en recubrimientos de TiN obtenidos por dos técnicas de deposición física en fase vapor: pulverización catódica con magnetrón e implantación iónica. Los sustratos utilizados fueron un acero inoxidable AISI 304 y un acero de herramientas AISI M2. Las tensiones residuales, las fases presentes y la orientación cristalográfica de las películas depositadas fueron obtenidas mediante análisis de difracción de rayos X por incidencia rasante. Se encontró que los esfuerzos residuales fueron mayores en las películas depositadas por la técnica de pulverización catódica con magnetrón que en las depositadas por la técnica de implantación iónica. En ambos casos estos esfuerzos son de compresión y disminuyen en la medida que aumenta el espesor de la película. Esto se debe a la forma como se entrega la energía, la capa en crecimiento y el momentum de las partículas ionizadas, lo que influye directamente en la microestructura y aumento o disminución de los esfuerzos residuales. En cuanto al tipo de sustrato se obtuvieron esfuerzos mayores en las películas depositadas sobre el acero AISI 304 que en las depositadas sobre el acero AISI M2, lo cual se debe posiblemente a que este último acero tiene un menor coeficiente de expansión térmica.

The influence of film thickness and the substrate type on the level and type of residual stresses generated on TiN coatings are analyzed. Two different physical vapor deposition (PVD) techniques: Magnetron Sputtering and Ion Plating were applied. Two materials were used as substrate: stainless steel AISI 304 and AISI M2 tool steel. The study of the residual stresses, the present phases, the crystalline structure and the crystallographic texture of the deposited films was performed by X-ray diffraction analysis using the grazing method with a low incidence angle. The results show that the residuals stresses produced by both deposition techniques were of compression and that their level decreased by increasing the film thickness. Moreover, the residual stresses were higher in those coatings deposited by Magnetron sputtering than coatings produced by Ion Platting. The residuals stresses in the films deposited on the AISI 304 steel were greater than those produced in AISI M2 steel. This is due to the delivery energy mechanism to the layer growth and momentum of the ionized particles, which directly influence the microstructure and increase or decrease residual stresses. Regarding the substrate, residuals stresses were greater on the films produced on AISI 304 steel, than those deposited on the AISI M2 steel, which is possibly due to the lower coefficient of thermal expansion of M2 steel.

Evaluation of resistance to erosion-corrosion of nickel coatings modified with diamond nanoparticles

La incorporación de nanopartículas de carburos, nitruros, óxidos o diamante en una matriz metálica, generalmente muestran mejoras en la dureza, en la resistencia al desgaste y a la corrosión, comparado con un recubrimiento del metal puro. Estos recubrimientos compuestos se pueden obtener mediante la técnica de electrodeposición, logrando economía y calidad en los depósitos. Los recubrimientos de níquel modificados con nanopartículas de diamante (Ni-D), fueron aplicados sobre un acero AISI SAE 1016 mediante la técnica de electrodeposición desde una solución típica Watts sin aditivos, que contiene nanopartículas de diamante. El efecto que ejercen algunas variables que intervienen en el proceso de electrodeposición como: densidad de corriente, velocidad de agitación y concentración de partículas en el baño, en la dureza y en la resistencia a la corrosión-erosión, se estudiaron mediante un diseño factorial completamente aleatorizado 2k. La resistencia a la corrosión- erosión se evaluó mediante el monitoreo del potencial de corrosión de las probetas con recubrimiento sometidas a un fluido corrosivo y abrasivo en movimiento. Los recubrimientos compuestos de Ni-D obtenidos presentan mejor resistencia a la corrosión-erosión que los recubrimientos de níquel puro. Los recubrimientos más resistentes a la corrosión-erosión fueron los obtenidos a 5 A/dm², 900 rpm y 10 g/L de diamante.

The incorporation of nanoparticles of carbides, nitrides, oxides or diamond in a metal matrix, generally show improvements in hardness, resistance to wear and corrosion, compared with a coating of pure metal. These composite coatings can be obtained by electrodeposition techniques, achieving economy and quality deposits. Coatings of nickel-modified diamond nanoparticles (Ni-D) were applied on AISI-SAE 1016 steel using the electrodeposition technique from a typical Watts solution without additives and containing diamond nanoparticles. The effect of some variables involved in the electroplating process on the hardness, corrosion resistance and erosion- corrosion of the coatings were studied. Current density, stirring speed and particle concentration in the bath were evaluated using a factorial design completely randomized 2k. The resistance to corrosion-erosion was evaluated by monitoring the corrosion potential of the coated samples subjected to a corrosive and abrasive fluid. It was found that the composite coatings of Ni-D show better resistance to erosion-corrosion that those of pure nickel coatings. The coatings more resistant to corrosion-erosion were obtained at 5 A/dm2, 900 rpm and 10 g / L diamond.

Study of polypyrrole/platinum composite films

Actualmente se buscan alternativas con igual o mejor eficiencia a la de los metales empleados en los electrodos de celdas de combustible y un ejemplo de estos son los materiales compuestos de matriz polimérica conductora. En este trabajo se reporta la obtención de películas compuestas de polipirrol/ platino (PPy/Pt) mediante técnicas electroquímicas, y el estudio de sus propiedades morfológicas, propiedades térmicas y composición estructural mediante microscopía electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica, perfilometría y análisis termogravimétrico. Los resultados demuestran la formación de películas tipo emparedado y la incorporación de platino en la matriz, estabilizando el polímero en términos de la degradación térmica.

Composite materials based on conducting polymers are alternatives with equal or better efficiency that metals typically used in fuel cell electrodes. The electrochemical synthesis of polypyrrole/platinum (PPy/Pt) films and their morphological, thermal and structural properties were studied in this paper by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), thermogravimetric analysis (TGA) and profilometry. The results show the formation of sandwich type structures and the important stabilization effect that platinum provide to the polymeric film in terms of degradation.

Characterization of polyurethane-urea/ montmorillonite nanocomposites using XRD and µ -Raman

En este trabajo se ha utilizado un copolímero de poliuretano urea (PUU) y una montmorillonita (MMT) modificada para obtener un nanocompuesto. El silicato modificado fue exfoliado en la matriz del PUU mediante el uso de la técnica de intercalación por solución y posteriormente caracterizados por Difracción de Rayos X (XRD) y por espectroscopia µ-Raman. A través de la espectroscopía micro-Raman se logró identificar modos característicos tanto de la arcilla modificada como del PUU, siendo los más importantes para la arcilla modificada dos picos más intensos localizados en 2.850 y 2.884 cm-1 correspondientes al modo vibracional de grupo -CH2-. En la mayoría de las arcillas, la banda 800-600 cm-1 corresponde a modos vibracionales Si-O-Si conectados al SiO4 del tetraedro, siendo el modo vibracional de control de la arcilla ubicado alrededor de 707cm-1 y para PUU los modos asociados a las bandas 1.640 y 1.716 cm-1 del grupo carbonilo de la urea y el uretano respectivamente. Para el nanocompuesto se observaron cambios acentuados en la intensidad de los modos vibracionales del grupo éter simétrico y asimétrico (912 cm-1 y 1.200 cm-1), por la incorporación de arcilla en estas fases. Por XRD se determinó que la arcilla modificada presentaba una morfología de exfoliación dentro de una matriz amorfa.

In this paper, we used a copolymer ofpolyurethane urea (PUU) and modified montmorillonite (MMT) to obtain its corresponding nanocomposite. The modified silicate was exfoliated in the PUU matrix using an intercalation technique for solution and subsequently characterized by X-ray diffraction (XRD) and µ-Raman spectroscopy. With micro-Raman spectroscopy characteristic modes of both the modified clay and the PUU were identified. The most important ones in the modified clay were two intense peaks located at 2.850 and 2.884cm-1 for the vibrational mode of -CH- group. The 800-600 cm-1 vibrational modes corresponding to Si- O-Si connected to the SiO4 tetrahedron and it is the vibrational mode of control of clay located around 707cm-1. PUU modes could be identified and associated with the bands at 1.640 and 1.716 cm-1 carbonyl group of urea and urethane respectively. The nanocomposite changes were observed in the intensity of the vibrational modes of the ether group symmetric and asymmetric (912 cm-1 and 1.200 cm-1), by incorporation of clay in these phases. By XRD it was determined that the modified clay presented an exfoliation morphology within an amorphous

Micromechanical modeling of particle reinforced polymers

Este trabajo presenta un modelo constitutivo de fácil implementación numérica para la predicción del comportamiento mecánico de compuestos particulados de matriz termoplástica a temperaturas superiores a Tg basado en teorías micromecánicas y fenomenológicas. Con este modelo es posible obtener las propiedades del material macro con base en las características de sus componentes (micro). Este modelo exhibe una concordancia razonable con experimentos para diferentes fracciones volumétricas de partículas.

This work describes an easy to use constitutive model able to predict the mechanical behavior of polymer matrix particulate composites at temperatures above the glass transition temperature Tg. This model was based on both phenomenological and micromechanical theories. With the model proposed it is possible to obtain the properties of the material (macro) using the characteristics of its components (micro). This model exhibits a reasonable agreement with experiments under various volume fractions of particles.

Computational simulation of low-density fibrous composites

Los compuestos fibrosos de baja densidad están constituidos por fibras, adhesivo y aire, y poseen propiedades mecánicas efectivas que dependen de las propiedades geométricas y mecánicas individuales de sus constituyentes. Modelos geométricos tridimensionales de este tipo de compuestos fueron desarrollados para la evaluación computacional de sus propiedades efectivas, rigidez y resistencia. Las predicciones teóricas del modelo propuesto fueron comparadas con valores medidos experimentalmente, para un compuesto de fibras de vidrio, obteniéndose excelentes resultados. Se realizaron simulaciones de Monte Carlo para estudiar la influencia del diámetro, longitud, orientación, y propiedades mecánicas de las fibras en las propiedades efectivas del compuesto. Los resultados obtenidos indican que el parámetro más importante para la rigidez efectiva de este tipo de compuestos es la orientación de las fibras, llegando a ser el factor determinante de estas propiedades equivalentes para ciertas orientaciones.

Low-density fibrous composites are composed of fibers, binder, and air, and exhibit mechanical properties that strongly depend upon the characteristics of the individual constituents. Three dimensional models are developed to predict the effective stiffness and strength of this type of composites. The predicted computational mechanical properties are compared to experimental values obtained for a glass-fiber composite with excellent agreement. Monte Carlo simulations were then performed to study the dependence of the composite effective stiffness on fiber diameter, length, orientation and mechanical properties. Results indicate that for a specific type of fiber and volume fraction, fiber orientation is the parameter determining the behavior of the composite effective stiffness.

Effect of the C2H2 pressure on the tribological and mechanical properties of CrC coatings deposited by cathodic arc evaporation (CAE)

Se obtuvieron recubrimientos monocapa de CrC por evaporación por arco catódico (EAC). Se investigaron las propiedades tribológicas de los recubrimientos mediante pruebas de deslizamiento en seco usando un tribómetro de bola sobre disco. Las propiedades mecánicas se estudiaron por nanoindentación dinámica. Los valores de los coeficientes de fricción de los recubrimientos monocapa de CrC mostraron buena correlación con el contenido de carbono de estos recubrimientos, presentando el más bajo coeficiente de fricción el recubrimiento con el mayor contenido de carbono. Después de las pruebas de fricción, tanto los recubrimientos como las esferas de acero usadas como contracuerpos presentaron partículas de desgaste de color marrón que sugieren la presencia de productos de reacciones triboquímicas. Las mejores propiedades mecánicas fueron obtenidas para los recubrimientos CrC con el más bajo contenido de carbono.

CrC single layer coatings were obtained by cathodic arc evaporation (CAE). In this paper, we evaluated the tribological properties of the coatings by means of dry sliding tests using a ball-on-disk tribometer. The mechanical properties were studied by dynamical nanoindentation. Friction coefficient values of CrC single layer coatings have showed good correlation with the carbon content of these coatings, presenting the lowest friction coefficient the coating with highest carbon content. After the friction tests, the coatings and the steel balls used as counterparts exhibit debris of a brown colour that suggest the presence of products of tribochemistry reactions. The best mechanical properties were obtained for the CrC coatings with the lowest carbon content.

Improvement of mechanical and tribological properties in industrial tools by means of application of TiN/ZrN multilayer coatings

En el presente trabajo se depositaron recubrimientos multicapa de TiN/ ZrN con 10 bicapas y recubrimientos monocapa de TiN y ZrN mediante pulverización catódica magnetrón r.f. Además, el recubrimiento multicapa se aplicó en fresadoras y se evaluó su desempeño en términos de vida útil de la herramienta. Los recubrimientos se caracterizaron a escala de laboratorio mediante difracción de rayos X, microscopía de fuerza atómica, microdureza Knoop, pruebas de desgaste mediante CaloTest y medidas de adhesión por la prueba de rayado. El recubrimiento multicapa superó a los recubrimientos monocapa en resistencia al desgaste, dureza superficial y carga crítica soportada. La adhesión mostrada por todos los recubrimientos fue muy buena como para ser considerados recubrimientos para aplicaciones industriales. Se incrementó la vida útil de fresas industriales en un 54,1 % con la aplicación del recubrimiento multicapa.

Most of the hard coatings have good wear and corrosion resistance; they have been widely used commercially to increase the life span of some industrial elements, for example, cutting tools, sprockets, bearings and components for industrial machinery. In this work TiN/ZrN multilayer coatings were deposited with 10 bilayers by r.f. magnetron sputtering technique, which was also used to deposit monolayer coatings of TiN and ZrN. In addition, the multilayer coating was applied in milling tools and their performance was evaluated in terms of tool life. The coatings were characterized to laboratory scale through X-ray diffraction, atomic force microscopy, Knoop micro hardness, wear tests by CaloTest and adhesion measures by scratch test. The multilayer coating exceeded the monolayer coatings in wear resistance, surface hardness and critical load supported. The adhesion showed for all the coatings was very good as to be considered industrial coatings. The life span of the milling tools were increased to 54.1 % with the application of the multilayer coating.