Pasos clave de preparación de superficie antes de un recubrimiento TBC confiable

Desde la perspectiva de la ingeniería de superficies y el aseguramiento de la calidad, la preparación de un sustrato de superaleación antes de la aplicación de un recubrimiento térmico de barrera (TBC, por sus siglas en inglés) es, probablemente, más crítica que el propio proceso de recubrimiento. La contaminación, una morfología deficiente o el daño subsuperficial derivados de una preparación inadecuada conducirán inevitablemente a una falla prematura del TBC, independientemente de la calidad del recubrimiento. El procedimiento consiste en una secuencia rigurosamente controlada de múltiples etapas diseñada para garantizar una adhesión perfecta y una estabilidad a largo plazo de todo el sistema de recubrimiento.

Etapas Críticas de Preparación de Superficies

1. Desengrase y Limpieza Química

Esta etapa inicial elimina todos los contaminantes orgánicos, aceites y residuos del proceso de fabricación, incluidos los procedentes del mecanizado CNC y la manipulación.

• Proceso: Implica desengrase por vapor, limpieza alcalina o limpieza ultrasónica en disolventes especializados.

• Justificación: Cualquier residuo de hidrocarburos crea una capa límite débil que impide el contacto metálico íntimo para la capa de unión, actuando además como fuente de vacíos y puntos de inicio de desprendimiento (spallation).

2. Activación Mecánica de la Superficie (Granallado o Grit Blasting)

Esta es una etapa fundamental para crear la topografía superficial óptima que permita el anclaje mecánico del recubrimiento.

• Proceso: El componente se somete a granallado con medios abrasivos de bordes afilados (normalmente alúmina) a una presión y ángulo controlados. Este proceso está definido por normas que especifican una rugosidad superficial (Ra) determinada, típicamente en el rango de 3-5 micrómetros (120-200 microinches).

• Justificación: La superficie rugosa incrementa drásticamente el área de contacto para la unión y crea microanclajes que proporcionan fijación mecánica a la capa de unión posterior. También endurece la capa superficial, lo cual puede ser beneficioso. El proceso debe controlarse cuidadosamente para evitar la incrustación de medios o la generación de deformaciones plásticas excesivas.

3. Limpieza Química Final y Desoxidación

Después del granallado, es esencial una segunda limpieza química más precisa.

• Proceso: Suele implicar un grabado ácido o un proceso de desensuciamiento químico para eliminar contaminantes microscópicos residuales, partículas incrustadas del granallado y la capa de óxido recién formada tras la abrasión.

• Justificación: El granallado expone metal fresco y altamente reactivo que comienza a oxidarse inmediatamente. Este nuevo óxido “nativo”, débilmente adherido, debe eliminarse justo antes de aplicar la capa de unión para garantizar una superficie metalúrgicamente limpia. Para superaleaciones a base de níquel como Inconel 718, esto implica a menudo un tratamiento de desoxidación de baja acidez.

4. Aplicación de la Capa de Unión (Bond Coat)

Aunque la capa de unión forma parte del sistema de recubrimiento, su aplicación constituye la etapa final y más crítica de la preparación de la superficie para la capa cerámica superior.

• Proceso: La capa de unión (normalmente una aleación MCrAlY o una aluminización por difusión) se aplica mediante un proceso controlado como proyección por plasma al vacío (VPS) o deposición física de vapor por haz de electrones (EB-PVD).

• Justificación: Esta capa cumple dos funciones principales: 1) Proporciona resistencia a la oxidación mediante la formación de una escala de Al₂O₃ estable y de crecimiento lento (el TGO), y 2) mitiga la diferencia de expansión térmica entre el sustrato metálico y la capa cerámica superior. La aplicación debe realizarse en un ambiente limpio y libre de oxígeno (vacío o gas inerte) para evitar la formación de óxidos inestables durante la deposición.

5. Activación Superficial de la Capa de Unión (Opcional pero Crítica)

Antes de aplicar la capa superior de YSZ, la superficie de la capa de unión puede someterse a un acondicionamiento final.

• Proceso: Un ligero granallado o un tratamiento térmico controlado para rugosar ligeramente la superficie y asegurar su estado químico óptimo para la adhesión del TBC.

• Justificación: Esto promueve una rugosidad fina y uniforme en la superficie de la capa de unión, mejorando aún más el anclaje mecánico para la capa superior y garantizando una superficie de nucleación consistente para el TGO.

Consideraciones de Ingeniería y Control de Calidad

1. Especificidad del Material: Los productos químicos de limpieza y los parámetros de grabado se adaptan al sustrato de superaleación específico para evitar grabados selectivos o picaduras en fases críticas.

2. Validación del Proceso y Trazabilidad: Cada etapa debe documentarse y validarse. Para componentes aeroespaciales, esto se rige por estándares exigentes como NADCAP. El lote del medio de granallado, la limpieza y los parámetros del proceso se registran completamente para trazabilidad.

3. Operaciones Críticas en el Tiempo: El intervalo entre la limpieza final y la aplicación de la capa de unión (especialmente en VPS o EB-PVD) debe minimizarse —a menudo solo unas horas— para evitar la reoxidación de la superficie preparada.

4. Inspección Previa al Recubrimiento: El sustrato se inspecciona rigurosamente después de la preparación mediante métodos visuales, dimensionales y, a veces, por líquidos penetrantes para verificar la ausencia de defectos, la rugosidad adecuada y la limpieza superficial antes de entrar en la cámara de recubrimiento.