Crecimiento y caracterización de recubrimientos nanoestructurados de CrTiAlN-Ni depositados mediante la técnica co-sputtering

Abstract

En esta investigación, se depositaron recubrimientos nanoestructurados de CrTiAlN-Ni sobre sustratos de metal duro K20, vidrio, silicio (100) y acero inoxidable AISI 316L mediante la técnica HiPIMS (High Power Impulse Sputtering); se estudiaron sus propiedades y comportamientos para establecer el efecto del Ni en el desgaste y en la resistencia a la corrosión electroquímica de los recubrimientos. Los recubrimientos obtenidos fueron nombrados de acuerdo con el número de piezas de Ni puestas en el blanco de cromo durante los depósitos, por lo cual, se obtuvieron los siguientes sistemas: CrTiAlN-0Ni, CrTiAlN-1Ni, CrTiAlN-3Ni, CrTiAlN-5Ni y CrTiAlN-9Ni. Se utilizaron técnicas de caracterización con el propósito de establecer la relación del contenido de Ni y las propiedades estructurales, mecánicas, tribológicas y anticorrosivas de los recubrimientos para lo cual fue necesario utilizar difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS), microscopía electrónica de barrido (SEM), prueba de nanoindentación, pin-on-disc, prueba scratch, espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y prueba de polarización potenciodinámica (PP). En los patrones de difracción se encontraron picos asociados al níquel presentes en los recubrimientos depositados sobre sustrato 316L, que permitieron intuir que átomos libres de Ni favorecieron la formación de una fase amorfa en los picos de DRX; sin embargo, no fue posible establecer un efecto de refinamiento del tamaño de cristalito. El análisis de las imágenes SEM sugirió que la morfología superficial es más densa y uniforme con la adición de Ni en el recubrimiento que permitió mejorar la dureza del recubrimiento con 0,08 % at. de Ni. La ausencia de un voltaje bias durante los procesos de deposición, una capa intermedia o un pretratamiento pudieron ser las razones principales de la baja adherencia de los recubrimientos. Además, la incorporación de poco contenido de Ni influyó significativamente en el desempeño tribológico y las propiedades mecánicas de los recubrimientos estudiados. Los fenómenos de corrosión identificados después de las pruebas PP y EIS corresponden a corrosión uniforme con pitting. (Texto tomado de la fuente)

In recent decades, Colombia has positioned itself as a world leader in the flower industry. However, this thriving sector faces environmental challenges, with waste generation being a constant concern. In context, carnation waste production in the country is 1500 kg/month per hectare, of which an average of 10% is used in composting and the remaining 90% is usually given as animal feed, which has been questioned for magnifying pesticides in the food chain. Thus, the search for sustainable and efficient solutions for the degradation of plant residues has become a priority in this agricultural sector. One alternative that has been studied is the direct use of microorganisms with lignocellulolytic capacity. Biocultivos S.A. and the Institute of Biotechnology of the National University of Colombia - IBUN developed an inoculum from Penicillium sp. HC1 to accelerate the degradation of lignocellulosic material. This bioinput presents challenges aligned to the production and quality of its conidia in submerged fermentation and, therefore, the present work evaluated different culture conditions on the production of Penicillium sp. HC1, as well as its use in the degradation of plant material residues from carnation residue crops in search of product improvement. This research did not show significant changes in the final product using CaCl2. On the other hand, the influence of various complex additives such as casamino acids, branched amino acids, other supplements and vitamins when added to the liquid culture medium on the production of Penicillium sp. HC1 was studied, and positive results were found. Concentrations of 13 g/L of casamino acids improve the production of biomass and conidia 6% and 11%, respectively, with respect to the control (base medium). Similarly, the so- called test amino acids (PA) in this research proved to be an effective and more economical replacement for casamino acids, also improving the viability and productivity of Penicillium sp. HC1 conidia. However, thermal tolerance did not show progress. This was solved by adding vitamins, obtaining a 64% increase in thermal tolerance with respect to the initial product. Additionally, the effect of three air flows in the submerged fermentation process in a stirred tank was explored, achieving a significant improvement in the product at 2.5 vvm. In summary, biomass improved 27%, conidia 16%, viability 76% and thermal tolerance 54% in the bioreactor product. Finally, the use of Penicillium sp. HC1 from the MBAP VIT culture medium produced at 2.5 vvm was validated, thus satisfying an agricultural need in the floriculture industry, which is constantly looking for alternatives for the management of its plant residues. This research demonstrated the improvement in the acceleration of carnation waste degradation using Penicillium sp. HC1, achieving favorable results in co-cultures with Pleurotus ostreatus T1.1.