Thin as a rail, strong as a rock

Satellite de-orbiting and re-entry is essential to halting the continuous increase in orbital space debris. The BETS project, which ends this month, is making waves with a new tether solution that is faster and more resistant to damage than any other existing technology.

Recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados mediante proyecci��n t��rmica para aplicaciones espaciales y de alta temperatura

Los recubrimientos lubricantes s��lidos son requeridos para reducir la fricci��n y prevenir el desgaste en componentes que operan a altas temperaturas o en vac��o (veh��culos espaciales, industria qu��mica, motores di��sel, turbinas aeron��uticas y de generaci��n de energ��a���). Los lubricantes l��quidos pierden sus caracter��sticas cuando las condiciones de presi��n, temperatura o ambientales son severas (oxidaci��n, inestabilidad t��rmica, volatilidad,���), por ejemplo los aceites minerales convencionales se descomponen a temperaturas pr��ximas a 200 ��C. Por tanto, la ��nica manera de poder conseguir una adecuada lubricaci��n a temperaturas extremas es por medio de s��lidos, que cada vez m��s, se aplican en forma de recubrimientos. Estos recubrimientos podr��an ser empleados en componentes de veh��culos espaciales reutilizables, donde se pueden alcanzar, en la reentrada en la atm��sfera, temperaturas de 700 ��C (bisagras, rodamientos, articulaciones y zonas de sellado en las superficies de control, y rodamientos de las turbobombas y las cajas de engranajes). Dichos recubrimientos tambi��n deber��an ser capaces de proporcionar una lubricaci��n efectiva a bajas temperaturas para las operaciones en tierra, para las operaciones de arranque en fr��o, incluso en el espacio. El conjunto de requisitos que tendr��an que satisfacer las capas tribol��gicas relacionadas con estas condiciones extremas es muy diverso, lo que hace que el concepto de capas tipo composite (aqu��llas constituidas por varios componentes) sea, en principio, muy adecuado para estas aplicaciones. Recubrimientos composite proyectados t��rmicamente constituidos por una matriz dura y conteniendo lubricantes s��lidos pueden ser una buena soluci��n desde el punto de vista tribol��gico. El ���Lewis Research Centre��� de la NASA ha estado desarrollando recubrimientos autolubricantes tipo composite, constituidos por la combinaci��n de materiales duros como el carburo de cromo, junto con lubricantes s��lidos como plata o la eut��ctica de fluoruros de calcio y bario, en una matriz de NiCr, para su uso en aplicaciones terrestres a alta temperatura. Estos recubrimientos han sido aplicados mediante proyecci��n t��rmica, siendo denominados como series PS100, PS200, PS300 y PS400, reduciendo de forma significativa el coeficiente de fricci��n y mejorando la resistencia al desgaste en un amplio margen de temperaturas. Otra nueva familia de materiales con comportamiento tribol��gico prometedor son las aleaciones cuasicristalinas (QC). Presentan caracter��sticas muy atractivas: alta dureza, baja fricci��n, alto l��mite el��stico de compresi��n... Son muy fr��giles como materiales m��sicos, por lo que se intentan aplicar en forma de recubrimientos. Se pueden depositar mediante proyecci��n t��rmica. Algunos de estos materiales cuasicristalinos, como AlCoFeCr, poseen coeficientes de dilataci��n pr��ximos al de los materiales met��licos, alta estabilidad t��rmica, baja conductividad t��rmica y una elevada resistencia a la oxidaci��n y a la corrosi��n en caliente. En esta tesis se han desarrollado recubrimientos tipo composite conteniendo cuasicristales como componente antidesgaste, NiCr como componente tenaz, y Ag y la eut��ctica de BaF2-CaF2, como lubricantes s��lidos. Estos recubrimientos han sido depositados con diferentes composiciones (denominadas TH100, TH103, TH200, TH400, TH600���) mediante distintos procesos de proyecci��n t��rmica: plasma en aire (PS), plasma en baja presi��n (LPPS) y combusti��n a alta velocidad (HVOF). Los recubrimientos se han generado sobre el sustrato X-750, una superaleaci��n base n��quel, endurecible por precipitaci��n, con muy buena resistencia mec��nica y a la oxidaci��n hasta temperaturas de 870 ��C y, adem��s, es empleada en aplicaciones aeroespaciales e industriales. Los recubrimientos han sido caracterizados microestructuralmente en INTA (Instituto Nacional de T��cnica Aeroespacial), mediante SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy) y XRD (X-Ray Diffraction), y tribol��gicamente mediante medidas de microdureza y ensayos en trib��metro POD (Pin On Disc) para determinar los coeficientes de fricci��n y de desgaste. Los recubrimientos han sido ensayados tribol��gicamente a alta temperatura en INTA y en vac��o en AMTTARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse ��� Austrian Research Centres), en Seibersdorf (Austria). Se ha estudiado la influencia de la carga normal aplicada, la velocidad lineal y el material del pin. De entre las diferentes series de recubrimientos cuasicristalinos tipo composite desarrolladas, dos de ellas, TH100 y TH103 han presentado una excelente calidad microestructural (baja porosidad, distribuci��n uniforme de fases���) y se han mostrado como excelentes recubrimientos antidesgaste. Sin embargo, estas capas presentan un pobre comportamiento como autolubricantes a temperatura ambiente, aunque mejoran mucho a alta temperatura o en vac��o. Los resultados del trabajo presentado en esta tesis han proporcionado nuevo conocimiento respecto al comportamiento tribol��gico de recubrimientos autolubricantes cuasicristalinos tipo composite depositados por proyecci��n t��rmica. Sin embargo, dichos resultados, aunque son muy prometedores, no han puesto de manifiesto el adecuado comportamiento autolubricante que se pretend��a y, adem��s, como ocurre en cualquier trabajo de investigaci��n, durante el desarrollo del mismo siempre aparecen nuevas dudas por resolver. Se proponen nuevas l��neas de trabajo futuro que complementen los resultados obtenidos y que puedan encaminar hacia la obtenci��n de un recubrimiento que mejore su comportamiento autolubricante. ABSTRACT Solid lubricant coatings are required to reduce friction and prevent wear in components that operate at high temperatures or under vacuum (space vehicles, chemical industry, diesel engines, power generation turbines and aeronautical turbines, for instance). In these cases neither greases nor liquid lubricants can be employed and the only practicable approach to lubrication in such conditions is by means of solids. These are increasingly applied in the form of coatings which should exhibit low shear strength, whilst maintaining their chemical stability at extremes temperatures and in the space environment. In the space field, these coatings would be employed in re-usable space plane applications, such as elevon hinges, where temperatures of 700 ��C are reached during re-entry into the Earth���s atmosphere. These coatings should also be capable of providing effective lubrication at lower temperatures since ���cold start��� operation may be necessary, even in the space environment. The diverse and sometimes conflictive requirements in high temperature and space-related tribological coatings make the concept of composite coatings highly suitable for these applications. Thermal-sprayed composites containing solid lubricants in a hard matrix perform well tribologically. NASA���s Lewis Research Centre had developed self-lubricating composite coatings for terrestrial use, comprising hard materials like chromium carbide as well as solid lubricant additives such as silver and BaF2-CaF2 eutectic on a Ni-Cr matrix. These coatings series, named PS100, PS200, PS300 and PS400, are applied by thermal spray and significantly reduce friction coefficients, improving wear resistance over a wide temperature range. Quasicrystalline alloys (QC) constitute a new family of materials with promising tribological behaviour. Some QC materials exhibit a combination of adequate antifriction properties: low friction coefficient, high hardness and high yield strength under compression, and can be easily produced as coatings on top of metallic and non-metallic materials. Among these QC alloys, AlCoFeCr has high hardness (700 HV0.1), a thermal expansion coefficient close to that of metals, high thermal stability, low thermal conductivity and good oxidation and hot corrosion resistance. However most QC materials have the disadvantage of being very brittle. In order to take advantage of the excellent tribological properties of QCs, thick composite lubricant coatings were prepared containing them as the hard phase for wear resistance, Ag and BaF2-CaF2 eutectic as lubricating materials and NiCr as the tough component. These coatings were deposited in different composition mixtures (named TH100, TH103, TH200, TH400, TH600���) by different thermal spray processes: air plasma spray (PS), low pressure plasma spray (LPPS) and high velocity oxy-fuel (HVOF), on X-750 substrates. X-750 is an age-hardenable nickel-base superalloy with very good strength and a good resistance to oxidising combustion gas environments at temperatures up to about 870 ��C and it is widely used in aerospace and industrial applications. Coatings have been characterized microstructurally, at INTA (National Institute for Aerospace Technology), by means of SEM-EDS (Scanning Electronic Microscopy- Energy Dispersive Spectroscopy) and XRD (X-Ray Diffraction), and tribologically by microhardness measurements and pin-on-disc testing to determine friction coefficients as well as wear resistance. The coatings were tested tribologically at high temperature at INTA and under vacuum at AMTT-ARC (Aerospace and Space Materials Technology Testhouse ��� Austrian Research Centres), in Seibersdorf (Austria). Different loads, linear speeds and pin materials were studied. TH100 and TH103 QC alloy matrix composite coatings were deposited by HVOF with excellent microstructural quality (low porosity, uniform phase distribution) and showed to be excellent wear resistant coatings. However these QC alloy matrix composite coatings are poor as a self-lubricant at room temperature but much better at high temperature or in vacuum. The results from the work performed within the scope of this thesis have provided new knowledge concerning the tribological behavior of self-lubricating quasicrystalline composite coatings deposited by thermal spraying. Although these results are very promising, they have not shown an adequate self-lubricating behavior as was intended, and also, as in any research, the results have in addition raised new questions. Future work is suggested to complement the results of this thesis in order to improve the selflubricating behaviour of the coatings.