Safran coopera con Ionbond para desarrollar recubrimientos para el espacio exterior
Los recubrimientos PVD y CVD suelen estar asociados con películas resistentes al desgaste, que prolongan la vida útil de herramientas y piezas de máquinas. Sin embargo, estos recubrimientos también pueden proporcionar una variedad de otras propiedades superficiales únicas. El logo de Ionbond, 'Los Ingenieros de Superficies', refleja el hecho de que nos especializamos en la ingeniería de la superficie para cumplir con las necesidades de la aplicación.
La misión de Safran: desarrollo de propulsores de plasma altamente eficientes para satélites
La empresa francesa Safran Space Propulsion se acercó a Ionbond con la solicitud de desarrollar un revestimiento especial para la nueva línea de motores de propulsión de plasma, que se utilizan en el espacio para impulsar naves espaciales o mantener satélites en su órbita. Safran fabrica estos motores principalmente para la Agencia Espacial Europea (ESA), cuyas naves espaciales dependen de los propulsores de plasma para desplazarse en el espacio.
¿Por qué propulsión de plasma?
El sistema de propulsión de plasma es un motor de reacción que utiliza plasma como medio para generar la propulsión. Por otro lado, la propulsión química se basa en una reacción química con el mismo propósito. Curiosamente, ambos motores utilizan la tercera ley de Newton como su principio fundamental de funcionamiento. La propulsión química, siendo la técnica principal, tiene una limitación física en la velocidad de los gases de escape y, respectivamente, en la velocidad máxima que una nave puede alcanzar. Además, su equivalente de 'economía de combustible' (llamado 'impulso específico' por los científicos de cohetes) es muy bajo. Los motores de propulsión de plasma, aunque tienen un valor modesto de empuje, pueden mantenerlo durante mucho tiempo y tienen una eficiencia de combustible mucho mejor. Los propulsores de plasma pueden impulsar naves espaciales a velocidades impresionantes de hasta 50 km/s (180 000 km/hora).
El propulsor de efecto Hall y el papel de un cátodo hueco
Safran fabrica propulsores de plasma de efecto Hall, que utilizan gas xenón ionizado como propelente y un campo electrostático como medio de aceleración. El plasma de xenón se forma dentro del ánodo cilíndrico mediante colisiones de sus átomos con electrones. Los iones de xenón son luego acelerados y expulsados del ánodo. En la etapa de salida, los iones se recombinan con electrones, manteniendo así todo el sistema eléctricamente neutro. Los ingenieros de Safran seleccionaron el principio de cátodo hueco para generar los electrones necesarios para la ionización. El cátodo hueco utiliza la energía de los iones de gas para mantener la alta temperatura requerida para la emisión de electrones. Para reducir la temperatura de emisión y así aumentar la vida útil del cátodo, a menudo se utilizan materiales especiales con baja función de trabajo. En el caso de un cátodo hueco, el tubo del material emisor se inserta dentro de la carcasa de metal refractario. Sin embargo, a altas temperaturas, los constituyentes de dichos materiales comienzan a difundirse en el material de la carcasa, lo que conduce a su rápida deterioración. Para prevenir esto, se requiere una barrera de difusión entre los materiales emisores y de la carcasa.
Nitrato de circonio como barrera de difusión
El material de nitruro de circonio (ZrN) fue identificado como un medio eficiente para bloquear dicha difusión. La tarea de los ingenieros de Ionbond fue desarrollar un proceso capaz de producir este recubrimiento en las superficies de los componentes del cátodo hueco. Esta tarea presentó desafíos importantes. En primer lugar, el recubrimiento debía producirse en los diámetros internos de las piezas con una relación de aspecto alta. En segundo lugar, el grosor del recubrimiento debía ser superior a 20 micrones, inusualmente grueso en comparación con los requisitos habituales, y adherirse bien a los metales refractarios. En tercer lugar, la película de ZrN depositada debía exhibir una morfología y estructura cristalográfica particular para cumplir con las especificaciones de Safran.
Los desafíos: recubrimiento de la identificación de la parte con un alto espesor del depósito
Dado que el proceso de PVD no era adecuado para la deposición de recubrimiento de ID, los ingenieros del proceso de Ionbond se centraron en la tecnología de CVD. El recubrimiento se produce clorando circonio puro y transfiriendo el vapor formado de ZrCl4 a la zona reactiva, donde reacciona con una mezcla de gases que contienen hidrógeno y nitrógeno a alta temperatura para formar ZrN. En el proceso convencional, la velocidad de deposición de ZrN es inferior a un micrón por hora, lo cual sería inaceptable para la deposición de películas gruesas de más de 20 micrones. Por esa razón, los ingenieros de Ionbond tuvieron que buscar las posibilidades para aumentar la velocidad de deposición. Parámetros como la concentración de reactivos, las temperaturas de cloración y deposición, la presión y la configuración de carga fueron identificados como factores que afectan la velocidad de deposición. Después de un análisis termodinámico preliminar, se seleccionaron rangos factibles para cada parámetro y se diseñó una matriz de experimentos. Además de la velocidad de deposición, se monitorearon los tipos de red y morfología como variables de respuesta.
Morfología típica de los depósitos de ZrN: izquierda - aceptable; derecha - no aceptable
Engineering a tailored CVD process
La experimentación y análisis de los datos permitieron establecer la dependencia entre los parámetros de entrada y las variables de respuesta. Se prestó especial atención a la configuración de la carga para producir un recubrimiento con una distribución de espesor aceptable y uniformidad. Dado que la tarea de optimización global incluía tres parámetros (tasa de deposición, morfología y retícula), se requirieron ajustes sustanciales al proceso para producir los tipos requeridos de morfología y estructura cristalina, manteniendo al mismo tiempo el valor más alto de la tasa de deposición.
De concepto a solución: misión cumplida
Los ingenieros de Ionbond han superado con éxito estos desafíos y han desarrollado un proceso especializado para depositar recubrimientos de ZrN en componentes de Safran con un aumento cuádruple en la tasa de deposición, satisfaciendo todos los requisitos de la especificación de Safran. Los primeros componentes se entregan a Safran, donde serán probados e instalados en los propulsores de plasma. "Fue una tarea complicada y audaz de optimización multifactorial. Los ingenieros de Ionbond demostraron profesionalismo, profundo conocimiento de la tecnología y un enfoque muy entusiasta para el problema. ¡Chapeau!" - dice Laurent Godard, Gerente de Calificación de Materiales y Procesos de Safran.
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