Recobriments ceràmics nanoestructurats dipositats mitjançant la tècnica HiPIMS

La necessitat de millorar els processos de fabricació industrials per aconseguir una productivitat més elevada, l’obtenció de productes finals superiors i una major eficiència de costos fan que el desenvolupament de nous materials sigui pràcticament imprescindible, on els recobriments que milloren les propietats mecàniques, tribològiques, i fins i tot òptiques, del substrat tenen un paper significatiu. Aquests recobriments s’apliquen per prolongar la vida útil i millorar el rendiment de diversos productes, incloent-hi eines de tall, matrius i motlles, utilitzades en diversos sectors d’activitat industrial (transport, mèdic, conformat de metalls, injecció de plàstic, etc.).

Els processos industrials de conformat de xapa metàl·lica enfronten diversos reptes relacionats amb la durabilitat de les matrius i punxons utilitzats. Alguns dels problemes inclouen la fatiga tèrmica, la fatiga per contacte i el desgast, els quals tenen un impacte directe en l’eficiència dels processos i en el temps dedicat al manteniment d’aquestes peces. Aquestes dificultats no només afecten la productivitat, sinó que també incrementen els costos associats a aquestes operacions. Una solució pot trobar-se en l’aplicació de recobriments, però l’ús de materials cada vegada més exigents i especialitzats limita l’eficàcia dels recobriments actuals i les tècniques de deposició convencionals. Per tant, es requereix un estudi i desenvolupament de nous recobriments per abordar aquests desafiaments i millorar la fiabilitat dels processos industrials de conformat de xapa metàl·lica.

La tècnica PVD-MS (Magneton Sputtering o pulverització catòdica) destaca com un dels mètodes més estudiats per generar recobriments homogenis amb un control precís sobre la composició i la morfologia. Això la converteix en una eina especialment valuosa per a l’enginyeria de superfícies adaptades. No obstant això, la necessitat de millorar els processos industrials ha portat a l’estudi i al desenvolupament de noves tècniques de deposició de recobriments, com és el HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). Mitjançant aquesta tècnica, i utilitzant noves i més sofisticades estructures com son els nanocomposites i els sistemes multicapa, es poden aconseguir recobriments amb propietats millorades,  com una major densitat, una millor adherència al substrat i major duresa i propietats mecàniques, entre altres. Aquesta tècnica ha estat estudiada a escala laboratori però molt poc a escala industrial.

En aquest context, la Dra. Neus Sala Bascompte ha dut a terme la seva tesi doctoral a IQS School of Engineering, sota el títol Nanostructured ceramic coatings deposited by High-Power Impulse Magnetron Sputtering in an industrial scale reactor. La tesi ha estat codirigida pel Dr. Carles Colominas Guàrdia, del Grup d’Enginyeria de Materials – GEMAT, i el Dr. Manuel D. Abad Roldán, del grup Applied Mechanics and Advanced Manufacturing – GAM, i realitzada en col·laboració amb l’empresa Flubetech, S.L., especialista en innovació d’enginyeria de superfícies, l’Institut de Ciència dels Materials – CSIC de Sevilla i la Montanuniversität Leoben.

La tesi ha implicat el disseny, la deposició i la caracterització de diversos recobriments ceràmics nanoestructurats, utilitzant la tècnica HiPIMS en un reactor a escala industrial tipus CC800/9 ML HiPIMS de CemeCon AG  a les instal·lacions de Flubetech, S.L. Així, dins d’aquesta recerca, la Dra. Sala va estudiar diferents sistemes de recobriments:                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

• Incorporació de carboni en recobriments de TiB₂/TiBC, que va resultar en la formació d’estructures ternàries TiB_xC_y, que van millorar significativament les propietats mecàniques dels recobriments.
• Recobriments d’NbC/a-C(:H), amb elsquals es va dur a terme un estudi comparatiu entre les tècniques DC-MS i HiPIMS, destacant la necessitat d’un ajust precís dels paràmetres HiPIMS per aconseguir recobriments amb propietats microestructurals i mecàniques superiors.
• Recobriments multicapa de TiN/CrN, TiSiN/CrN i NbN/CrN, les propietats dels quals es van descriure en termes dels paràmetres de deposició, microestructura i composició. En el cas d’aquests sistemes, es van aconseguir dureses excepcionals dels recobriments, al voltant de 32 GPa, a causa de fenòmens que tenen lloc a escala nanomètrica, amb la formació d’estructures tipus superlattice per a recobriments amb períodes de bicapa de 15 nm.

Els estudis duts a terme en aquesta tesi ofereixen una caracterització exhaustiva de tots els recobriments estudiats, mitjançant l’ús de diverses tècniques, així com perspectives valuoses sobre el potencial i els reptes de l’ús de la tecnologia HiPIMS en reactors industrials per la personalització de recobriments avançats, que puguin respondre a una àmplia gamma de requisits industrials i oferir solucions avançades a problemes actuals.

Publicacions relacionades

N.Sala, M.D.Abad, J.C.Sanchez-Lopez, F.Crugeira, A.Ramos-Masana, C.Colominas, Influence of the carbon incorporation on the mechanical properties of TiB₂ thin films prepared by HiPIMS,  International Journal of refractory Metals and Hard Materials, 107, 105884, 2022.

N.Sala, M.D.Abad, J.C.Sánchex-López, J.Caro, C.Colominas, Nb–C thin films prepared by DC-MS and HiPIMS: Synthesis, structure, and tribomechanical properties, Surface and Coatings Technology, 422, 1275690, 2021.

N.Sala, M.D.Abad, J.C.Sánchez-López, M.Cruz, J.Caro, C.Colominas, Tribological performance of Nb-C thin films prepared by DC and HiPIMS, Material Letters, 277, 128334, 2020.

Aquesta tesi ha rebut finançament de la Secretaria d’Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya i Fons Socials Europeus [2019FI_B01190], [2020FI_B1_00114], [2021FI_B2_00167].