Recubrimientos cerámicos nanoestructurados depositados mediante HiPIMS

La necesidad de mejorar los procesos de fabricación industriales para conseguir una productividad más elevada, la obtención de productos finales superiores y una mayor eficiencia de costes hacen que el desarrollo de nuevos materiales sea prácticamente imprescindible, donde los recubrimientos que mejoran las propiedades tribológicas, e incluso ópticas, del sustrato tienen un papel significativo. Estos recubrimientos se aplican para prolongar la vida útil y mejorar el rendimiento de diversos productos, incluyendo herramientas de corte, matrices y moldes, utilizadas en diversos sectores de actividad industrial (transporte, médico, conformado de metales, inyección de plástico, etc.)

Los procesos industriales de conformado de chapa metálica afrontan diversos retos, relacionados con la durabilidad de las matrices y punzones utilizados. Algunos de los problemas incluyen la fatiga térmica, la fatiga por contacto y el desgaste, los cuales tienen un impacto directo en la eficiencia de los procesos y en el tiempo que se dedica al mantenimiento de estas piezas. Estas dificultades no solo afectan la productividad, sino que también incrementan los costes asociados a estas operaciones. Una solución puede encontrarse en la aplicación de recubrimientos, pero el uso de materiales cada vez más exigentes y especializados limita la eficacia de los recubrimientos actuales y las técnicas de deposición convencionales. Por tanto, se requiere un estudio y desarrollo de nuevos recubrimientos para abordar estos desafíos y mejorar la fiabilidad de los procesos industriales de conformado de chapa metálica.

La técnica PVD-MS (Magneton Sputtering o pulverización catódica) destaca como uno de los métodos más estudiados para generar recubrimientos homogéneos con un control preciso sobre la composición y la morfología. Esto la convierte en una herramienta especialmente valiosa para la ingeniería de superficies adaptadas. No obstante, la necesidad de mejorar los procesos industriales ha llevado al estudio y al desarrollo de nuevas técnicas de deposición de recubrimientos, como es el HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). Mediante esta técnica, y utilizando nuevas y más sofisticadas estructuras como los nanocomposites y los sistemas multicapa, se pueden conseguir recubrimientos con propiedades mejoradas, como una mayor densidad, una mejor adherencia al sustrato y mayor dureza y propiedades mecánicas, entre otras. Esta técnica ha sido estudiada a escala de laboratorio, pero muy poco a escala industrial.

En este contexto, la Dra. Neus Sala Bascompte ha llevado a cabo su tesis doctoral en IQS School of Engineering bajo el título Nanostructured ceramic coatings deposited by High-Power Impulse Magnetron Sputtering in an industrial scale reactor. La tesis ha sido codirigida por el Dr. Carles Colominas Guàrdia, del Grupo de Ingeniería de Materiales – GEMAT, y por el Dr. Manuel D. Abad Roldán, del grupo Applied Mechanics and Advanced Manufacturing – GAM, y realizada en colaboración con la empresa Flubetech, S.L., especialista en innovación de ingeniería de superficies, el Instituto de Ciencia de Materiales – CSIC de Sevilla y la Montanuniversität Leoben.

La tesis ha implicado el diseño, la deposición y la caracterización de diversos recubrimientos cerámicos nanoestructurados, utilizando la técnica HiPIMS en un reactor a escala industrial tipo CC800/9 ML HiPIMS de CemeCon AG en las instalaciones de Fluebetch S.L. Así, dentro de esta investigación, la Dra. Sala estudió diferentes recubrimientos:

• Incorporación de carbono en recubrimientos de TiB₂/TiBC, que resultó en la formación de estructuras ternarias TiB_xC_y, que mejoraron significativamente las propiedades mecánicas de los recubrimientos.
• Recubrimientos de NbC/a-C(:H), con los cuales se llevó a cabo un estudio comparativo entre les técnicas DC-MS i HiPIMS, destacando la necesidad de un ajuste preciso de los parámetros HiPIMS para conseguir recubrimientos con propiedades microestructurales y mecánicas superiores.
• Recubrimientos multicapa de TiN/CrN, TiSiN/CrN i NbN/CrN, cuyas propiedades se describieron en términos de los parámetros de deposición, microestructura y composición. En el caso de estos sistemas, se consiguieron durezas excepcionales de los recubrimientos, cercanas a los 32 GPa, debido a fenómenos que tienen lugar a escala nanométrica, con la formación de estructuras tipo superlattice para recubrimientos con periodos de bicapa de 15 nm.

Los estudios llevados a cabo en esta tesis ofrecen una caracterización exhaustiva de todos los recubrimientos estudiados, mediante el uso de diversas técnicas, así como perspectivas valiosas sobre el potencial y los retos del uso de la tecnología HiPIMS en reactores industriales para la personalización de recubrimientos avanzados, que puedan responder a una amplia gama de requisitos industriales y ofrecer soluciones avanzadas a problemas actuales.

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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.

Esta tesis ha recibido financiación de la Secretaria de Universitats i Recerca del Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya y Fondos Sociales Europeos [2019FI_B01190], [2020FI_B1_00114], [2021FI_B2_00167].