Oxidación a altas temperaturas en recubrimientos nanoestructurados de (TiAlCrN)-B-O obtenidos por co-sputtering en fase reactiva

Abstract

En el presente estudio se sintetizaron recubrimientos de CrAlTiN y (TiAlCrN)-B-O sobre sustratos de aleación aluminio-silicio y sustratos monocristalinos de silicio, empleando la técnica de co-sputtering por radiofrecuencia en fase reactiva.

Se evaluaron las características microestructurales, morfológicas y de composición química de los recubrimientos por medio de difracción de rayos X, microscopia electrónica de transmisión y de barrido y por medio de espectroscopia de energía dispersiva, respectivamente; así como sus propiedades mecánicas (nanoindentación y nanorayado) y resistencia a la oxidación a alta temperatura. Los ensayos de oxidación revelaron que los recubrimientos de CrAlTiN y (TiAlCrN)-B-O presentaron oxidación completa a 900°C y 1100°C, respectivamente.

Análisis estadísticos experimentales usando la metodología de Taguchi y de Superficies, indicaron que las condiciones óptimas para la síntesis del recubrimiento de CrAlTiN respecto a su resistencia a la oxidación fueron: temperatura del sustrato entre 250°C y 294°C, potencia aplicada al blanco de CrAlTi de 118 W y flujo de nitrógeno de 10 sccm. Para el recubrimiento de (TiAlCrN)-B-O, las condiciones óptimas correspondieron a: potencia aplicada al blanco de B₂Ti de 80 W, temperatura del sustrato entre 400°C y 450°C, potencia en el blanco de CrAlTi de 126 W y flujo de nitrógeno de 4 sccm.

Con base en estos resultados, se seleccionó el recubrimiento de (TiAlCrN)-B-O para la protección superficial de dos pistones de un motor diésel LT1, los cuales fueron sometidos a 100 horas de operación continua. El análisis post-servicio evidenció que el recubrimiento conservó su integridad física y microestructural, mostrando únicamente un grado leve de oxidación superficial. Se destaca el potencial de los recubrimientos de (TiAlCrN)-B-O para aplicaciones tribológicas avanzadas, donde la estabilidad térmica y la inercia química constituyen requisitos críticos. (Texto tomado de la fuente)

In the present study, CrAlTiN and (TiAlCrN)-B-O coatings were synthesized on aluminum–silicon alloy substrates and monocrystalline silicon substrates with crystallographic orientation (100), using reactive radio-frequency co-sputtering.

The microstructural, morphological, and chemical composition characteristics of the coatings were evaluated by X-ray diffraction, transmission and scanning electron microscopy, and energy-dispersive spectroscopy, respectively. In addition, their mechanical properties (nanoindentation and nanoscratch) and high-temperature oxidation resistance were assessed. Oxidation tests revealed that CrAlTiN and (TiAlCrN)-B-O coatings underwent complete oxidation at 900 °C and 1100 °C, respectively.

Experimental statistical analyses using the Taguchi methodology and Response Surface Design indicated that the optimal conditions for the synthesis of the CrAlTiN coating, with respect to its oxidation resistance, were: substrate temperature between 250 °C and 294 °C, applied power to the CrAlTi target of 117.7 W, and a nitrogen flow of 10 sccm. For the (TiAlCrN)-B-O coating, the optimal conditions corresponded to: applied power to the B₂Ti target of 80 W, substrate temperature between 400 °C and 450 °C, power applied to the CrAlTi target of 125.8 W, and a nitrogen flow of 4 sccm.

Based on these results, the (TiAlCrN)-B-O coating was selected for surface protection of two pistóns from an LT1 diesel engine, which were subjected to 100 hours of continuous operation. Post-service analysis demonstrated that the coating preserved its physical and microstructural integrity, exhibiting only a mild degree of surface oxidation. These findings highlight the potential of (TiAlCrN)-B-O coatings for advanced tribological applications, where thermal stability and chemical inertness are critical requirements.