Estudio de los parámetros atómicos necesarios en la diagnosis de los plasmas fríos generados en procesos industriales

Resumen

Como es bien conocido, los láseres llevan ya suscitando un gran interés en muchos campos de la ciencia y cada vez son más importantes en la industria. Esta ya no sólo los utiliza en aplicaciones tradicionales como soldadura, corte o ablación, si no que se están implementando como fuente para análisis espectroscópicos; y por otro lado para nuevos tratamientos que mejoran las características de los materiales tanto a nivel superficial como estructural. En este último grupo se encuentra el Laser Shock Peening o Laser Shock Processing (LSP), que es una tecnología emergente para la mejora de propiedades de resistencia mecánica de materiales metálicos de interés estratégico. El desarrollo para su implantación a nivel industrial es objeto de estudio en importantes laboratorios y centros de investigación de todo el mundo, de manera que la misma está, sin duda, llamada a constituir una tecnología básica de tratamiento de componentes mecánicos de gran importancia y alta fiabilidad. La técnica del LSP consiste en focalizar sobre una pieza metálica un pulso láser de alta energía (I>109 W/cm2, t<50 ns) provocando la vaporización instantánea de su superficie y la generación de un plasma de alta densidad de electrones y temperatura compuesto por las distintas especies ionizadas de los elementos presentes en la pieza y en el ambiente. La alta presión del plasma genera una onda de choque que, por el principio de conservación del movimiento, acaba propagándose dentro de la pieza afectando así a sus propiedades mecánicas. Para aumentar la intensidad de la onda de choque se confina el plasma de tal forma que permanece más tiempo en contacto con la superficie del metal aumentando el impulso efectivo de la onda de choque. El medio confinante usado habitualmente es el agua, aunque también se ha estudiado el uso de vidrios y pinturas. En los últimos años se ha realizado un importante trabajo experimental a nivel mundial, de cara a obtener las condiciones óptimas para la aplicación del tratamiento y determinar su capacidad de mejorar las propiedades mecánicas del material. Sin embargo, sigue existiendo un vacío importante a la hora de predecir cuales son las condiciones óptimas de aplicación del LSP en nuevos materiales. Esto es debido en parte a la complejidad de los procesos físico-químicos implicados así como de las transformaciones que tienen lugar, considerando las propiedades reales de los materiales y la dinámica asociada a la interacción láser-materia. Por ello, desde el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) se están realizando trabajos orientados a la búsqueda de las condiciones óptimas para la aplicación de esta técnica en determinadas aleaciones industriales. Asimismo se llevan a cabo trabajos que estudian teóricamente algunos de los aspectos involucrados en los procesos físicos presentes, como son las tensiones residuales resultantes de las ondas de choque que se propagan por el interior del material, y que como se explicará más adelante son las causantes de la mejora de las propiedades mecánicas. Sin embargo, un estudio puramente físico-mecánico del proceso dista de ser suficiente para caracterizarlo completamente y por ello otra de las líneas de investigación que se está desarrollando en el Centro Láser es el estudio en profundidad del plasma generado por la interacción del láser con la superficie metálica y la interacción de este con la superficie del material para ver cómo pueden afectar los fenómenos físico-químicos a la interacción mecánica con la onda de choque. Esta línea es la que ha dado lugar a la realización de esta Tesis. El desarrollo de la presente Tesis se ha enfocado específicamente en la caracterización del plasma generado en un proceso LSP. En concreto el presente trabajo combina un estudio conjunto tanto experimental como teórico para poder diagnosticar los plasmas fríos generados en procesos industriales, en concreto el LSP sobre una aleación de aluminio de la serie 2024. Esta Tesis está estructurada en 7 capítulos que se describirán brevemente a continuación: * El capítulo 1 contiene una breve introducción sobre el estado del arte de los procesos de tratamiento superficial para materiales metálicos, como son el Shot Peening o el Bruñido, indicando sus aplicaciones, ventajas e inconvenientes. * El capítulo 2 se centra en el proceso LSP. En la primera parte se describe el proceso y se presenta un histórico de su evolución. Tras esto se realiza una panorámica de las aplicaciones industriales de la tecnología LSP. El siguiente punto se centra en el trabajo que desde el Centro Láser de la UPMse realiza para el estudio del proceso. Aquí se describe la forma de trabajar tanto en la parte experimental como en la simulación del proceso. Por último se presenta una breve revisión sobre el material objeto de investigación. * En el capítulo 3 se describe el dispositivo experimental utilizado: láser, monocromador, CCD. . .También se explica el montaje experimental y el procedimiento de medida, así como todo lo relacionado con la calibración del dispositivo: eficiencia del sistema y calibración en longitud de onda. * El capítulo 4 está dedicado a la espectroscopia de ruptura inducida por láser o Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) que es el método escogido para realizar la caracterización del plasma producido. Se explica todo el proceso de formación del plasma y la caracterización espectroscópica de este. Detallándose los efectos que pueden modificar los resultados, como son: la anchura y forma de las líneas, la evolución y homogeneidad del plasma o el efecto de la autoabsorción en determinadas líneas espectrales. * En el capítulo 5 se detalla el procedimiento de estudio cuantitativo del plasma, es decir, el cálculo de la densidad electrónica y su temperatura. A continuación se justificará la elección de la línea H-alpha de la serie de Balmer para la determinación de la densidad de electrones y la elección del método de Boltzmann para la temperatura. Por último se corroborará que el plasma está en Equilibrio Termodinámico Local y se presentarán los resultados obtenidos. * El capítulo 6 muestra el procedimiento de cálculo de los parámetros atómicos, como son las probabilidades de transición, de las cuales se determinan las vidas medias, y de las anchuras y desplazamientos Stark con el programa Cowan. En concreto, se muestran los resultados de las líneas de los iones dos y tres del magnesio (Mg II y Mg III), ya que se necesitan para realizar los cálculos del capítulo anterior. * El capítulo 7 presenta las conclusiones y logros obtenidos en el desarrollo de esta Tesis, así como las posibles nuevas líneas de investigación. Finalmente se han añadido dos apéndices: * El apéndice A contiene toda la documentación relativa a los equipos utilizados en el desarrollo de esta Tesis. Desde el equipamiento experimental para los procesos de LSP del Centro Láser, hasta las lámparas de calibración y el microscópico confocal utilizados. * En el apéndice B se presentan las publicaciones que se han derivado de la realización de esta tesis. Estas se han desarrollado tanto en el ámbito ingenieril con publicaciones en el “Journal of Materials Processing Technology”, como en el ámbito de la física atómica, astronómica y astrofísica, y espectroscópica. Publicando en el “Atomic Data and Nuclear Data Tables” (ADNDT), “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (MNRAS) y en “Physica Scripta”. En resumen, el objetivo de este trabajo es conseguir realizar el estudio cuantitativo de los parámetros plasma generado en un proceso LSP y de esta forma contribuir a la implementación a nivel industrial de este proceso aumentado su uso en diferentes materiales metálicos. Por último cabe destacar que gran parte del trabajo realizado y de los resultados obtenidos en esta Tesis se han desarrollado dentro de los Proyectos de Investigación: - Análisis integrado teórico-experimental de la técnica LSP aplicada a la mejora de propiedades mecánicas y superficiales de componentes metálicos de alta fiabilidad (MAT-2012- 37782). - Tratamiento mediante LSP de aleaciones de magnesio biodegradables y bio-reabsorbibles como método de mejora de sus propiedades mecánicas (MAT-2015-63974-C4-2-R).