Desarrollo de recubrimientos en materiales para ambientes altamente corrosivos a 500 y 600 °C

Abstract

RESUMEN: La corrosión de materiales en atmosferas corrosivas y a elevadas temperaturas causa grandes pérdidas económicas en aplicaciones industriales. El empleo de nuevos materiales, aleaciones y recubrimientos mitigan los costes de estas pérdidas. Existen diversos estudios para establecer los materiales más adecuados para el uso de reactores y tuberías que manejen compuestos corrosivos tales como HCl, sales, vapor de agua y SO2, etc., entre los que predominan aceros inoxidables de diversas composiciones químicas, uso de recubrimientos diversos, así como también ciertas aleaciones a base de materiales refractarios. En el presente trabajo se estudió el comportamiento en atmósferas corrosivas y alta temperatura, tanto de materiales refractarios tales como tantalio y molibdeno, que fueron recubiertos con aluminio o silicio por pack cementation (etapa 1) y probados a 600 °C en una atmósfera de aire + 10% Cl2, como también de los aceros 304 y 1020, este último con un recubrimiento híbrido de óxido de silicio amorfo (etapa 2). El recubrimiento se realizó por la técnica inmersión-extracción en un sol fresco sintetizado previamente por el proceso sol-gel. Las pruebas de corrosión de la segunda etapa se realizaron a 500 y 600 °C en una atmósfera simulada de un incinerador de basura, que consiste de N2, O2 8%vol, HCl 2000 vppm, H2O 15%vol, 200 vppm SO2. En ambas etapas las muestras corroídas se caracterizaron por microscopía óptica, EPMA (electron probe microanalizer), MEB (microscopía electrónica de barrido) y por DRX (difracción de Rayos X) y los recubrimientos híbridos fueron analizados mediante FTIR antes y después de ser corroídos. Se formaron principalmente dos fases intermetalicas en el recubrimiento en las muestras de tantalio (TaAl3 y TaSi2) y las fases MoSi2, capa rica en Al, MoAl4, Mo3Al8 y Mo5SiB3 en la aleación de molibdeno después del proceso de pack cementation. Hay evidencia de la presencia de cloruros después de exposición a la atmósfera corrosiva. En las pruebas realizadas sobre los aceros se observó la formación de una capa de óxido sobre la superficie del material que crece por difusión en ambos sentidos, del sustrato y de la atmósfera. Por esta razón, la solución más adecuada para atmósferas corrosivas a altas temperaturas es una combinación de un material resistente y una capa protectora resistente. El acero inoxidable presentó el mejor comportamiento, seguido por el acero recubierto. En las capas de óxido que se forman en la superficie se identificaron partículas de diferentes composiciones y morfologías, dependiendo de la composición del material y de la temperatura. En las pruebas en los aceros con y sin recubrimiento se observa la formación de Fe2O3, lo que indica que se presenta el mecanismo de oxidación activa. ABSTRACT: The materials corrosion in aggressive atmospheres and high temperatures cause great economic losses in industrial applications. The use of new materials, alloys and coatings mitigate the costs of these losses. Several studies to establish the most suitable materials for use in reactors and pipelines handling corrosive compounds such as HCl, salts, water vapor and SO2, etc., between predominate stainless steels of several chemical compositions, use of several coatings, as well as alloys based on refractory materials. In this paper, the behavior in corrosive atmospheres and high temperature, the refractory materials such as tantalum and molybdenum, which were coated with aluminum or silicon by pack cementation process (stage 1) and tested at 600 ° C in an air plus 10% Cl2 atmosphere, as well as 304 and 1020 steels, the latter with a hybrid coating of amorphous silicon oxide (stage 2) were studied. Coating was performed by immersion - extraction technique on a previously synthesized fresh sol by the sol- gel process. Corrosion tests of the second stage were performed at 500 and 600 C° in an atmosphere simulated waste incinerator , consisting of N2 , O2 8% vol , 2000 vppm HCl , H2O 15% vol , 200 vppm SO2. In both stages the corroded samples were characterized by optical microscopy, EPMA (electron probe microanalizer), SEM (scanning electron microscopy) and XRD (X ray diffraction) and the hybrid coatings were analyzed by FTIR before and after being corroded. Mainly two layers (TaAl3 and TaSi2) of different intermetallic phases were formed in coating of tantalum and MoSi2, Al-rich layer, MoAl4, Mo3Al8 and Mo5SiB3 phases were formed in coating of molybdenum alloy after pack cementation process. There is evidence of the presence of chlorides after exposure to the corrosive atmosphere. In tests conducted on the steels, forming an oxide layer on the surface of the material which grows by diffusion in both directions of the substrate and the atmosphere was observed. For this reason, the most appropriate solution for corrosive atmospheres at high temperatures is a combination of a durable material and a tough protective layer. The stainless steel showed the best behavior followed by the coated steel. In the oxide layers formed on the surface particles of different compositions and morphologies were identified, depending on material composition and temperature. Fe2O3 formation is observed in the tests on the coated and uncoated steels, which indicates that the active oxidation mechanism is presented.