Resistencia al desgaste abrasivo de recubrimientos nanoestructurados de Al2O3-3%TiO2 modificados con GNPs y depositados mediante OF
Barra lateral del artículo
Contenido principal del artículo
Resumen
El objetivo de este trabajo consiste en el desarrollo de recubrimientos cerámicos autolubricantes a base de Al2O3-3%TiO2 con la adición del 3% de nanoplaquetas de grafeno (GNPs). Se ha estudiado la influencia de los GNPs sobre las propiedades mecánicas y el desgaste en un medio abrasivo. Estos recubrimientos se han depositado sobre un sustrato de acero inoxidable AISI 304 mediante la técnica de proyección térmica por llama (OF). La microestructura de los recubrimientos se ha evaluado utilizando microscopía electrónica de barrido FE-SEM y análisis por Energías Dispersivas de Rayos X (EDX). Además, se ha empleado espectroscopia Raman para identificar la presencia de grafeno en la microestructura del recubrimiento cerámico. La porosidad de los recubrimientos se ha cuantificado mediante un software de análisis de imagen J-Image. La microdureza se ha determinado utilizando un microdurómetro Vickers con una carga de 200 g durante 15 s. Los ensayos de desgaste en medios abrasivos se han realizado en un banco tribológico mediante el sistema pin-on-disc en condiciones de laboratorio, aplicando una carga constante de 20 N y una velocidad de deslizamiento variable entre 0.08 y 0.005 m/s, incrementando la velocidad cada 40 m de recorrido hasta alcanzar una distancia total de 120 m. Como medio abrasivo, se ha empleado papel de SiC con una granulometría de 320. La incorporación de GNPs en los recubrimientos cerámicos comerciales influye significativamente en las propiedades mecánicas y en la resistencia al desgaste abrasivo. Los resultados demuestran que la adición del 3% de GNPs en recubrimientos nanoestructurados de Al2O3-3%TiO2 reduce la porosidad hasta un 6,6% y aumenta la dureza hasta un 11%. La incorporación de GNPs en los recubrimientos nanoestructurados de Al2O3-3%TiO2 es capaz de reducir el coeficiente de rozamiento y la tasa de desgaste en medios abrasivos hasta en un 13,5 y 67% respectivamente con respecto al recubrimiento cerámico sin adiciones de GNPs, prolongando así la vida útil del recubrimiento modificado. Este desarrollo puede ser un factor clave en la selección y el diseño de uniones cinemáticas que operen en condiciones severas.
Detalles del artículo
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
CC BY-NC-SA 4.0)
El lector puede compartir, copiar y redistribuir el material en cualquier medio o formato, siempre y cuando cumpla con las siguientes condiciones:
-
Atribución (BY): Debe dar crédito adecuado al autor original, proporcionando un enlace a la licencia y señalando si se han realizado cambios.
-
No Comercial (NC): No puede utilizar el material con fines comerciales. Esto significa que no puede venderlo ni obtener ganancias directas de su uso.
-
Compartir Igual (SA): Si adapta, transforma o construye sobre el material, debe distribuir sus contribuciones bajo la misma licencia que el original.
Recuerda que esta licencia no afecta los derechos legales del autor, como el derecho moral o las excepciones de uso justo.
Citas
Wang, L., Liu, S., Gou, J., Zhang, Q., Zhou, F., Wang, Y., & Chu, R. Study on the wear resistance of graphene modified nanostructured Al2O3/TiO2 coatings. Applied Surface Science, 492, 272-279, (2019).
Hvizdoš, P., Dusza, J., & Balázsi, C. (2013). Tribological properties of Si3N4–graphene nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society, 33 (12), 2359-2364, (2013).
Li, Y., Liu, J., Deng, J., He, J., Qin, Y., Xing, Y., & Yin, F. Fabrication of graphene oxide reinforced plasma sprayed Al2O3 coatings. Ceramics International, 49 (2), 1667-1677, (2013).
Jinga, V., Mateescu, A. O., Cristea, D., Mateescu, G., Burducea, I., Ionescu, C., ... & Munteanu, D. Compositional, morphological and mechanical investigations of monolayer type coatings obtained by standard and reactive magnetron sputtering from Ti, TiB2 and WC. Applied Surface Science, 358, 579-585, (2015).
Varga, M., Grundtner, R., Maj, M., Tatzgern, F., & Alessio, K. O. Impact-abrasive wear resistance of high alumina ceramics and ZTA. Wear, 522, 204700, (2023).
Wang, L., Qiao, Z., Qi, Q., Yu, Y., Li, T., Liu, X., ... & Liu, W. Improving abrasive wear resistance of Si3N4 ceramics with self-matching through tungsten induced tribochemical wear. Wear, 494, 204254, (2022).
Li, H. Study on Tribological Behavior and Cell Compatibility of Graphen e Reinforced Ceramic Matrix Composite Coatings. University of Chinese Academy o f Sciences, (2014).
Ceramics Science and Technology Riedel, R., & Chen, I. W. (2000).
Lee, S. W., Morillo, C., Lira-Olivares, J., Kim, S. H., Sekino, T., Niihara, K., & Hockey, B. J. Análisis tribológico y microestructural de nanocompuestos de Al2O3/TiO2 para su uso en la cabeza femoral de la prótesis de cadera. Wear, 255 (7-12), 1040-1044, (2003).
Lee, S. W., Morillo, C., Lira-Olivares, J., Kim, S. H., Sekino, T., Niihara, K., & Hockey, B. J. Análisis tribológico y microestructural de nanocompuestos de Al2O3/TiO2 para su uso en la cabeza femoral de la prótesis de cadera. Wear, 255 (7-12), 1040-1044, (2003).
Zou, Z., Wang, Y., Zhou, F., Wang, L., Liu, S., & Wang, Y Tribological property of plasma-sprayed Al2O3-13wt% TiO2 coatings onto resin-based composites. Applied Surface Science, 431, 75-80, (2018).
Sure, J., Shankar, A. R., Upadhyay, B. N., & Mudali, U. K. Microstructural characterization of plasma sprayed Al2O3-40 wt. % TiO2 coatings on high density graphite with different post-treatments. Surface and Coatings Technology, 206 (23), 4741-4749, (2012).
Wu, Z. S., Zhou, G., Yin, L. C., Ren, W., Li, F., & Cheng, H. M. Materiales de electrodos compuestos de grafeno/óxido metálico para el almacenamiento de energía. Nano Energía, 1(1), 107-131, (2012).
Khodabakhshi, F., Nosko, M., & Gerlich, A. P. (2018). Effects of graphene nano-platelets (GNPs) on the microstructural characteristics and textural development of an Al-Mg alloy during friction-stir processing. Surface and Coatings Technology, 335, 288-305, (2018).
Liu, C., Sun, J., Venturi, F., Romero, A. R., & Hussain, T. Mejora del rendimiento de desgaste mediante el depósito de recubrimiento de alúmina/GNP sobre sustratos de WC-TiC-Co texturizados. Tecnología de Superficies y Recubrimientos, 447, 128817, (2022).
Kulkarni, A., Sampath, S., Goland, A., Herman, H., & Dowd, B. Estudios de microtomografía computarizada para caracterizar las correlaciones entre la microestructura y las propiedades en depósitos de alúmina rociados térmicamente. Scripta materialia, 43 (5), 471-476, (2000).
Shaw, L. L., Goberman, D., Ren, R., Gell, M., Jiang, S., Wang, Y., ... & Strutt, P. R. The dependency of microstructure and properties of nanostructured coatings on plasma spray conditions. Surface and coatings technology, 130 (1), 1-8, (2000).
X. Lin, Y. Zeng, C. Ding, P. Zhang, Effects of temperature on tribological properties of nanostructured and conventional Al2O3–3 wt. % TiO2 coatings, Wear 256 (11–12), 1018–1025, (2004).
Habib Ameen, K., Leal Cano, D., Serrano Mira, J., Rayón, E., Abellán-Nebot, J. V., & Dosta, S.Tribology behaviour of graphene-modified nanostructured Al2O3/3% TiO2 coatings under boundary and mixed lubrication conditions, Wear 548,205381, (2024).
F. Ahmed, M.A. Abir, P.K. Bhowmik, V. Deshpande, A.S. Mollah, Thermohydraulic performance of water mixed Al2O3, TiO2 and graphene-oxide nanoparticles for nuclear fuel triangular subchannel, Therm. Sci. Eng. Prog. 24, 100929, (2021).
Y. Li, J. Liu, J. Deng, J. He, Y. Qin, Y. Xing, F. Yin, Fabricaci´on de recubrimientos de Al2O3 rociados con plasma reforzado con ´oxido de grafeno, Ceram. Int. 49 (2), 1667–1677, (2023).
Paglia, G. Determination of the structure of y-alumina using empirical and first principle calculations combined with supporting experiments (Doctoral dissertation, Curtin University), (2004).
Davis, J. R. (Ed.). Nickel, cobalt, and their alloys. ASM international. (2000).
Wang, L., Liu, S., Gou, J., Zhang, Q., Zhou, F., Wang, Y., & Chu, R. Study on the wear resistance of graphene modified nanostructured Al2O3/TiO2 coatings. Applied Surface Science, 492, 272-279, (2019)