Mejora del comportamiento en servicio por tratamiento criogénico de una aleación de aluminio empleada en la industria aeronáutica

Resumen

En este trabajo de tesis se estudia la mejora del comportamiento en servicio por tratamiento criogénico de una aleación de aluminio empleada en la industria aeronáutica. La aleación de aluminio utilizada estudiada es AA2017, perteneciente a la serie 2xxx (Al-Cu) donde el cobre es el principal elemento aleante. Se suministra en forma de chapa de 3 mm de espesor con un tratamiento de endurecimiento estructural T4 (solubilización, temple y maduración natural). Presenta una excelente relación resistencia/peso, propiedad que le hace especialmente útil en la industria aeronáutica, sin embargo, es susceptible a diferentes tipos de corrosión, entre los que destaca la corrosión bajo tensión (SCC). Este tipo de corrosión es inadmisible en aplicaciones estructurales, ya que puede producir una rotura frágil del material y provocar un fallo en piezas de forma inesperada. Numerosas investigaciones se han llevado a cabo para desarrollar nuevos tratamientos térmicos que permitan controlar los problemas de corrosión de estas aleaciones. Los tratamientos de sobremaduración y los tratamientos RRA (Retrogresión y Remaduración) aumentan la resistencia a SCC en perjuicio de otras propiedades o en la limitación de espesor del material. Para hacer frente a las desventajas que presentan estos tratamientos, en esta tesis se propone el Tratamiento Criogénico para mejorar el comportamiento en servicio de la aleación AA2017-T4. Como su nombre indica, consiste en mantener al material a temperaturas criogénicas (-196ºC) durante un determinado periodo de tiempo y progresivamente calentarlo hasta la temperatura ambiente. A raíz de proponer el tratamiento criogénico como opción a los tratamientos térmicos desarrollados hasta ahora sobre las aleaciones de aluminio se definieron tres objetivos específicos: caracterización microestructural y comportamiento mecánico; evaluación de la resistencia a corrosión; y evaluación de la susceptibilidad a corrosión bajo tensión, de las muestras sin tratar y con tratamiento. La consecución de los mismos permitió estudiar el comportamiento en servicio de la AA2017-T4 con tratamiento criogénico. El estudio microestructural realizado mediante microscopia óptica, microscopia electrónica de barrido y de transmisión, difracción de rayos X y calorimetría diferencial de barrido, ha permitido caracterizar diferentes tipos de partículas distribuidas en la matriz de Al-α en ambas muestras. Las partículas primarias identificadas son Al2Cu, Al6 (Fe, Mn, Si) y Mg2Si. A nivel submicrométrico se observan partículas de Al8Fe2Si en el interior de los granos y partículas de Al2Cu precipitadas en los límites de grano. El tratamiento criogénico no produce modificaciones en cuanto a tamaño, forma y composición de las partículas identificadas, así como tampoco lo hace en el tamaño de grano. Sin embargo, en las muestras con tratamiento se detecta un aumento de precipitación en los límites de grano y un descenso de fase GP detectado en los termogramas DSC. Ambas modificaciones podrían estar relacionadas con el hecho de que el tratamiento criogénico contrae la rede cristalina del aluminio. En cuanto al comportamiento mecánico, no hay diferencias significativas en los valores de dureza, resistencia a tracción, límite elástico y alargamiento entre las muestras estudiadas. Por lo tanto, el tratamiento criogénico no induce modificaciones en las propiedades mecánicas de la aleación. Sin embargo sí que se ha detectado mediante difracción de rayos X, un aumento de las tensiones residuales de compresión y una disminución de las tensiones residuales de tracción en las muestras tratadas. A continuación se evaluó el comportamiento a corrosión de las muestras mediante ensayos de inmersión en NaCl 1M y EXCO. Del primero se desprende que el ataque localizado tiene lugar en los intermetálicos y conduce a picaduras en la superficie de ambas muestras del mismo modo, debido a la diferencia de potencial entre las partículas y la matriz que les rodea. Del segundo se determinó que el tipo de corrosión producida en ambas muestras es por picaduras y corrosión intergranular, sin llegar al grado extremo de corrosión por exfoliación. La corrosión por picaduras es debido a las partículas intermetálicas como en el ensayo con NaCl. La corrosión intergranular se produce en los límites de grano debido a la diferencia de potencial entre las partículas de Al2Cu y la matriz. En el ensayo con EXCO se han detectado leves diferencias entre ambas muestras, relacionadas con el grado de ataque producido lo que podría estar vinculado con las modificaciones encontradas en la caracterización microestructural y la medida de las tensiones residuales. Sin embargo, la agresividad del medio podría minimizar el efecto de estos cambios. Finalmente se evaluó la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión mediante dos tipos de ensayos: ensayos de deformación lenta y ensayos de carga constante. Estos ensayos han sido llevados a cabo con ciertas modificaciones para poder ajustar dichos ensayos a la realidad y acortar la duración de los mismos. Además se estableció un procedimiento en la evaluación de los resultados para poder determinar si la SCC está presente en la aleación AA2017-T4 en las condiciones ensayadas. En los ensayos de deformación lenta, de la observación de las curvas tensión-deformación no es posible detectar pérdida de ductilidad debido a la SCC. Con los ratios indicados en la norma si es posible determinar la susceptibilidad de la aleación a este tipo de corrosión, pero no es suficiente para sacar conclusiones. Es necesario el registro de la variación del OCP con el tiempo, estudios metalográficos de la superficie de fractura y de secciones transversales próximas a esta para identificar el tipo de rotura y buscar evidencias de corrosión intergranular. La SCC se manifiesta en las muestras sin tratamiento a la velocidad de 10-7 s-1 detectada por un descenso en el ratio RRA, rotura frágil e importante avance de la corrosión intergranular. Sin embargo, este fenómeno ya comienza a manifestarse a velocidades de 10-6 s-1, donde se registra un descenso del potencial de corrosión asociado con un avance intergranular observado en el estudio de la sección transversal de las muestras. En el caso de las muestras tratadas criogénicamente no se han encontrado indicios de susceptibilidad a la corrosión bajo tensión en las velocidades ensayadas. En los ensayos de carga constante, con la realización del barrido potenciodinámico durante la aplicación de la carga, ha sido posible extraer una serie de parámetros electroquímicos a partir de la curva de polarización. La variación de los mismos se ha relacionado con la corrosión producida en las muestras mediante análisis de la superficie ensayada y la sección transversal. Cuando se aplica carga, el área atacada en superficie es menor, la corrosión avanza a través de los límites de grano favorecida por la aplicación de la carga. La geometría ocluida de la corrosión en estas muestras produce modificaciones en los parámetros electroquímicos. Lo destacado y novedoso que se desprende de estos ensayos es que solamente con el análisis de los parámetros electroquímicos podemos determinar, sin necesidad de realizar estudios metalográficos, el tipo de corrosión producida durante el ensayo lo que minimiza en gran medida el trabajo de laboratorio.