Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Oct 2004)
Resolidificación superficial de eutécticos Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-YSZ asistida por láser
Abstract
A procedure for surface densification and/or texturing of Al2O3-YSZ (yttria stabilised zirconia) ceramics with eutectic composition by means of laser surface melting is presented. By scanning a high-power laser beam on a ceramic surface, we achieve a textured and fully dense surface layer from 30 to 1000 microns thick. For example, using a thin diode laser line with fluence 1.23 kW/cm2 and 0.14 mm/s scan rate, the solidified layer has 560 μm depth. We get a low roughness and dense surface. The microstructure is fine (micron size) due to the eutectic composition. The orientation of the microstructure is determined by the shape of the solid-liquid interface in the solidification process. We study the shape of this interface in transverse and longitudinal cross-sections in single as well as overlapping scans, which are required to process large surfaces. From the macroscopic point of view, the transition between adjacent scans is smooth. However, the microstructure presents discontinuity in the interphase spacing due to microstructural evolution in the heat affected region as well as the nucleation of an Al2O3 layer at the beginning of the crystal growth. The thermal shock inherent to the procedure generates cracks longitudinal and transverse to the scanning direction, as well as delaminating cracks. We analyse different possibilities to reduce this thermal shock. The best results are obtained by preheating the substrate, allowing us to process surfaces of Al2O3-YSZ eutectic ceramics 99% dense.Se presenta un procedimiento para la densificación y/o texturado superficial de cerámicas de Al2O3-YSZ (circona estabilizada con itria) con composición eutéctica mediante fusión zonal asistida por láser. Haciendo un barrido con la radiación proveniente de un láser de potencia sobre piezas cerámicas conseguimos modificar la microestructura y densificar completatmente la capa superficial, con un espesor que va de 30 a 1000 μm. Por ejemplo, con línea estrecha de láser de diodo, fluencia de 1.23 kW/cm2 y velocidades de barrido de 0.14 mm/s, solidificamos capas de 560 μm. El resultado es una superficie de baja rugosidad y no porosa. La microestructura de la muestra es fina debido a su composición eutéctica. La interfase sólido-líquido en el proceso de crecimiento determina la orientación de la microestructura. Se estudia la forma de esta interfase tanto en cortes transversales como longitudinales, lo que permite analizar el efecto que sobre la microestructura tiene la superposición de barridos, que es una alternativa para tratar superficies extensas. Macroscópicamente la frontera entre barridos contiguos es suave. Sin embargo, su microestructura presenta discontinuidad en el espaciado entre las fases debido a la evolución microestructural en la región no fundida sometida a altas temperaturas y a la nucleación preferencial de Al2O3 al comenzar el crecimiento cristalino. Se analizan distintas posibilidades para disminuir el choque térmico inherente al proceso y que conduce a la formación de grietas paralelas a la dirección de procesado y de delaminación. Se observa una mejora importante cuando se precalienta la pieza a tratar, de modo que es posible procesar superficies de cerámicas eutécticas 99% densas.
