Evaluation of dissimilar titanium-composite joints for the manufacture of high-performance aeronautical structures

1. INTRODUCCIÓN

Los materiales compuestos avanzados, caracterizados con su alta resistencia mecánica, bajo peso y excelente resistencia a la corrosión, son ampliamente utilizados en la fabricación de estructuras aeroespaciales. Esto es lo que ocurre en el proyecto CAELESTIS donde se aprovecha de las ventajas de los materiales compuestos para el desarrollo y diseño de un OGV para aeronaves y motores, empleando un ecosistema integrado de simulaciones y herramientas digitales [1].

La integración de la técnica Automated Fiber Placement (AFP) con el proceso RTM permite la producción de estructuras ligeras y con geometrías complejas, combinando las ventajas de ambas técnicas [2]. Este enfoque híbrido se ha estudiado en investigaciones recientes demostrando la viabilidad de incorporar simultáneamente componentes metálicos y materiales compuestos en la etapa de fabricación mediante el proceso RTM [3]. Para garantizar una adecuada adhesión y mejorar la interfaz entre ambos materiales, el componente metálico debe someterse previamente a un tratamiento superficial específico. Posteriormente, el componente metálico se introduce en el interior del molde junto con la preforma de fibra de carbono, permitiendo la unión en una única etapa de fabricación. A diferencia de los métodos convencionales de ensamblaje de materiales híbridos, el proceso one-shot presenta una serie de beneficios destacando la reducción de tiempos de fabricación ya que se elimina una etapa adicional de pegado, la minimización de los defectos en la interfase de unión y la mejora en la integridad estructural del componente final [4].

En el presente estudio, se llevó a cabo una investigación detallada de las uniones titanio-composite, motivada por la necesidad de integrar insertos metálicos en el demostrador final mediante la técnica de RTM “one-shot”. El objetivo es optimizar la calidad de unión entre el metal y el material compuesto. Para ello, se evalúan distintos tratamientos superficiales midiendo y comparando los valores de rugosidad, energía superficial y ensayo Pull-Off.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Se emplearon distintos métodos para la preparación de la superficie del Titanio de Grado V comercial con la finalidad de mejorar su adhesión con el composite. Dependiendo del tratamiento utilizado, este influye en la estructura y morfología del metal, lo que a su vez afecta directamente en la calidad de adhesión[5]. Entre los tratamientos mecánicos empleados se incluyen el granallado y el uso de Scotch-Brite. El primero de ellos se realizó con polvo de alúmina de grano fino actuando sobre toda la superficie, mientras que para el segundo se empleó una almohadilla de disco abrasivo Scotch-Brite, realizando movimientos manuales en las direcciones de 0 y 90 grados. Adicionalmente, se realizó un tratamiento químico de grabado “etching”, que según la bibliografía[6], el ácido y los parámetros más efectivos de proceso para el titanio se obtuvieron con ácido sulfúrico concentrado al 48% durante 30 minutos a 60 grados, aumentando la rugosidad y la fuerza de unión en comparación con el uso de HCL 18% o H3PO3 al 43%, replicándose estas condiciones en el estudio. Finalmente, se realizó un tratamiento avanzado mediante plasma, empleando el equipo PlasmaBeam de presión atmosférica, con una altura de antorcha de 6 mm con respecto a la superficie de la probeta y, un texturizado láser, con unos parámetros de proceso del láser de 200 W, 166 KHz, 5 m/s, realizando un total de 8 pasadas por ranura con una distancia entre ellas de 200 µm. Esto permite generar micro ranuras superficiales diseñadas específicamente para mejorar la adhesión entre ambos materiales. Todos los tratamientos mencionados anteriormente se replicaron aplicando mediante pulverización una capa de binder epoxi Hexcel´s Hexbond 122 con la finalidad de preservar la integridad del tratamiento superficial aplicado y prevenir posibles oxidaciones, además de aumentar la compatibilidad del titanio con la resina epoxi RTM6. La aplicación del binder se llevó a cabo empleando una pistola de pulverización convencional a 2 bares de presión, con el objetivo de lograr una distribución homogénea del binder sobre la superficie del titanio. Este binder epoxi requiere de un curado de 24 horas a temperatura ambiente. El tratamiento superficial aplicado al titanio de grado V se analizó en base a la determinación de la energía libre superficial (ESL), con su correspondiente componente polar y dispersiva, y la rugosidad superficial. Para la determinación de la ESL se utilizó un equipo Theta 200, siguiendo el método OWRK/Fowkes y el procedimiento marcado por la norma UNE-EN828:2013. Para cada tratamiento, se utilizaron tres probetas de titanio de 40 x 40 mm. Para las mediciones, se emplearon líquidos con diferente polaridad, como agua, diyodometano y etilenglicol, realizándose 10 repeticiones en cada una de las probetas para cada uno de los líquidos.

Para evaluar la rugosidad superficial del titanio, se empleó el equipo S-Neox de Sensofar, un perfilómetro óptico 3D de alto rendimiento. Además, se adquirieron diferentes imágenes 3D de la superficie para poder analizar la morfología en función del tratamiento empleado. Para cada tratamiento superficial, se emplearon tres probetas, realizando tres mediciones por probeta: dos en la zona de los extremos y una en el centro, con el fin de obtener un valor lo más representativo posible.

Para evaluar la efectividad del tratamiento superficial del metal, se decidió realizar un ensayo rápido utilizando el equipo Positest ATM Manual Pull-Off Adhesion Tester, el cual permite obtener un valor cuantitativo de la adherencia entre la superficie del metal con el correspondiente tratamiento aplicado y la resina bi-componente RTM6. Para ello, se adhirieron las sufrideras de aluminio del equipo sobre el titanio con su correspondiente tratamiento superficial empleando resina en la interfase, que posteriormente se llevo a estufa durante 2 horas a 180 grados para el curado. Se realizaron un total de 6 ensayos por tratamiento superficial empleado, y así obtener un valor cuantificable de fuerza de adhesión.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Rugosidad

La Tabla 1 presenta los principales parámetros de rugosidad calculados para el titanio grado V en función de los diferentes tratamientos superficiales aplicados. En esta tabla, también se incluyen los valores de rugosidad del titanio aplicando una capa homogénea del primer epoxi Hexcel’s Hexbond 122 sobre la superficie tratada previamente.

Tabla 1. Parámetros de rugosidad para el Ti V aplicando diferentes tratamientos superficiales sin/con primer.

Figura 1. Valores de Ra del Ti con los diferentes tratamientos superficiales sin primer y con primer.

Los valores de rugosidad del titanio de grado V se ven fuertemente influenciados por el tipo de tratamiento superficial aplicado (Figura 1). Para el análisis de los resultados, se ha tomado como valor de referencia la rugosidad media del titanio sin tratamiento, con un valor de 0,592 µm. Entre los diferentes tratamientos evaluados, el microtexturizado láser es el que presentó un valor más elevado, alcanzando los 60,288 µm debido a la formación de micro hendiduras controladas generadas a lo largo de la superficie generando una topografía altamente rugosa y definida. El segundo tratamiento que más aumentó la rugosidad fue el granallado (sandblasting) con un valor medio de Ra de 1,144 µm debido a una aplicación homogénea del polvo de alúmina sobre la superficie. Sin embargo, en los tratamientos restantes se generaron valores de rugosidad más cercanos a los del titanio base. Los tratamientos de Scotch-Brite y plasma disminuyeron la rugosidad superficial, con valores de 0,498 µm y 0,505 µm, respectivamente, debido al carácter abrasivo del primero y el efecto limpiador del segundo pudiendo suavizar irregularidades superficiales. En el caso del tratamiento químico mediante ataque ácido (etching), provocó un aumento de la rugosidad con un valor de 0,687 µm generando una estructura irregular en la superficie debido al carácter ácido de la disolución empleada.

La aplicación del primer sobre el tratamiento superficial aplicado generó una gran variabilidad en los valores de rugosidad calculados debido a que la aplicación del primer enmascara la topografía de la superficie impidiendo una medición precisa de la rugosidad. Además, la aplicación del primer por pulverización puede generar ciertas gotas en la superficie que afectan negativamente a las mediciones de rugosidad. Todas estas evidencias se pueden apreciar en la Tabla 1 y Figura 2.

Figura 2. Topografía superficial del Titanio Grado V para los diferentes tratamientos superficiales

En la Figura 2, se muestran las topografías superficiales del titanio sometido a diferentes tratamientos, reflejando como cada proceso modifica la morfología de la superficie. Con el tratamiento Scotch-Brite se generan micro ranuras en 0º y 90º. El micro texturizado láser genera una serie de ranuras a lo largo de la superficie, debido a la irradiación controlada del láser. El sandblasting y el etching generan rugosidades homogéneas, mientras que el tratamiento por plasma da lugar a pequeñas ranuras horizontales debido a las pasadas del propio plasma. Por último, se puede ver que la aplicación del primer cubre toda la superficie, pero la presencia de pequeños cúmulos indica una aplicación no completamente homogénea.

3.2 Ángulo de contacto

En la Tabla 2 se recogen los valores medios del ángulo formado entre la tangente del contorno de la gota depositada con el punto triple (punto de mojado), la energía superficial (Figura 3) con su correspondiente componente polar y dispersiva, tomados del conjunto de mediciones en cada una de las tres probetas. Se realizaron 15 repeticiones con cada uno de los líquidos en las tres probetas, obteniéndose los valores de energía superficial, con su correspondiente componente polar y dispersiva representados en la Tabla 2.

Tabla 2. Valores de los ángulos por líquido y energía superficial del titanio sin y con primer con los distintos tratamientos.

Figura 3. Representación de las componentes superficiales por tratamiento sin primer (izq) y con primer (dcha).

Los valores de referencia corresponden a los del titanio base sin primer, con un valor de energía superficial total de 39,167±0,461 mN/m, con una componente dispersiva de 25,983±0,081mN/m y una componente polar de 13,183±7,291 mN/m. El tratamiento superficial en el que se obtiene un mayor aumento en la energía superficial es con el microtexturizado láser, con un aumento del 64% con respecto al titanio base, debido a que es el tratamiento que genera mayor rugosidad dando lugar a una mayor área de interacción. Además, tanto la componente dispersiva como la componente polar aumenta en un 58% y 68% respectivamente. El segundo tratamiento donde se consiguió aumentar la ESL corresponde al plasma en un 51%, debido a que este tratamiento modifica químicamente la capa superficial del titanio, rompiendo enlaces e induciendo a la formación de enlaces polares. Esto se ve reflejado en la componente polar, aumentando el valor en un 97% respecto al valor de referencia. Con el sandblasting, la ESL aumenta en un 19% ya que este tratamiento mecánico aumenta considerablemente la rugosidad por lo que permitirá una mayor área de interacción. En el caso del etching, la ESL apenas aumenta un 3%, con una disminución del 11% de la componente polar debido a que el propio titanio base comercial ya viene con una ESL controlada específica y, al atacar la superficie con el ácido, se elimina esta capa y se puede generar una capa de óxido menos reactiva que la del titanio base. El Scotch-Brite es el único tratamiento en donde disminuye la ESL en un 17% debido a que este tratamiento mecánico elimina la capa controlada de óxido del titanio base además de que disminuye la rugosidad de la superficie.

En el caso de la batería de mediciones dónde se aplica el primer, se toma como valor de referencia el del titanio base más el primer con unos valores de ESL de 33,798±0,697 mN/m, con una componente dispersiva de 31,980±0,630 mN/m y una componente polar de 1,820±0,261 mN/m. Como tendencia general, la aplicación del primer epoxi disminuye la ESL en todos los tratamientos estudiados entre un 14% y un 40%, a excepción de los tratamientos mecánicos Scotch-Brite y Sandblasting que aumenta en un 3% y un 6% respectivamente. La aplicación del primer disminuye la componente polar con respecto al material con el tratamiento sin el primer, a excepción del sandblasting que aumenta en un 28%. En el caso de la componente dispersiva, disminuye en todos ellos en un rango entre el 22% y 85%. Todo esto es debido a que el primer epoxi forma una capa polimérica sobre la superficie del titanio con una polaridad menor que la superficie del titanio comercial sin primer con su correspondiente tratamiento superficial. El conjunto de tratamiento más primer que mayor valor de energía superficial generó fue el sandblasting y el texturizado láser con valores de ESL de 51,953±1,121 mN/m y 48,235±0,318 mN/m respectivamente, correspondiendo a los tratamientos que mayor rugosidad generaron. Los demás tratamientos presentan unos valores de ESL próximos al del titanio base.

3.3 Ensayo Pull-Off

La Tabla 3 presenta los valores obtenidos del ensayo de adherencia Pull-Off realizado sobre la superficie del Titanio Grado V sometido a los diferentes tratamientos aplicados, utilizando la resina bi-componente RTM6. Se llevaron a cabo 6 mediciones por cada tipo de tratamiento. Además, también se muestra el ensayo general de Pull-Off sobre la probeta de titanio y la sufridera adherida mediante la resina RTM6.

Tabla 3. Valores del ensayo de Pull-Off Titanio-RTM6 sin y con primer (izq.) y esquema general Pull-Off (dcha.)

Los valores anteriores de resistencia a la adherencia se representan en la Figura 4.

Figura 4. Ensayo Pull-Off: resistencia a la adherencia (titanio-RTM6) con los diferentes tratamientos superficiales

Los tratamientos superficiales que mostraron un mayor incremento en la resistencia a la adherencia, tomando como valor de referencia el titanio base, fueron el microtexturizado láser y el sandblasting, logrando un aumento del 78%. El siguiente tratamiento con mejores valores de resistencia fue el etching con un aumento del 53%, seguido del tratamiento mecánico Scotch-Brite con una mejora del 39%. Finalmente, el tratamiento por plasma fue el que presentó menor efecto, con un ligero aumento del 12% en los valores de adherencia.

En el caso del titanio tratado superficialmente y recubierto con primer, se observó una disminución en los valores de resistencia a la adherencia en comparación con los valores correspondientes a los tratamientos iniciales sin la aplicación del primer. Esta reducción osciló entre el 15% y el 22% para el titanio base, Scotch-Brite, etching, plasma y láser. En el caso del tratamiento de sandblasting con la aplicación del primer, la disminución fue del 32%.

4. CONCLUSIONES Y PRÓXIMOS PASOS

En el presente estudio se evaluaron diferentes uniones titanio-composite con la finalidad de optimizar tanto las propiedades de la interfase como de la metodología empleada. Se estudió la influencia de diferentes tratamientos superficiales aplicados al titanio sobre las propiedades de rugosidad, energía libre superficial y fuerza de adhesión con la resina RTM6

Los resultados muestran que los tratamientos de texturizado láser y sandblasting generan las superficies con un valor mayor de rugosidad, y debido a esto, presentan unos valores elevados de ESL. Además, son los tratamientos donde se obtuvieron los valores de resistencia a la adhesión en el ensayo de Pull-Off más elevados, lo cual indica una mejora significativa en la adhesión entre el metal y la resina. En el caso del etching, incrementa levemente la rugosidad, pero reduce la ESL con respecto a la superficie del titanio sin tratar. Por otro lado, el tratamiento con Scotch-Brite no genera mejoras significativas en los valores de rugosidad y ESL, siendo inferiores que en el titanio base de referencia. Por último, el plasma presenta un efecto limpiador de la superficie que reduce la rugosidad, generando el segundo valor más alto de ESL, sin embargo, no se traduce en una mejora de la adhesión, siendo de los tratamientos con valores de adhesión más bajos. Este tratamiento puede ser compatible con otros tratamientos, pudiendo ser un paso previo de limpieza.

En cuanto a la aplicación del primer epoxi, se concluye que tiene la finalidad de proteger la superficie tratada del titanio de posibles oxidaciones con agentes externos además de mejorar la compatibilidad química con la resina epoxi. El primer tiende a reducir la ESL, además de la resistencia a la adhesión que disminuye en todos los tratamientos analizados en comparación con las superficies sin el recubrimiento epoxi.

Los avances obtenidos permiten establecer una base para futuros estudios en donde se estudiará las uniones titanio-composite fabricando paneles híbridos mediante la técnica RTM “one-shot” y así poder llevar a cabo una campaña experimental mecánica y poder determinar la influencia de dichos tratamientos superficiales en la calidad final de la unión entre ambos materiales.

5. REFERENCIAS

[1] Y. N. Liu, C. Yuan, C. Liu, J. Pan, and Q. Dong, “Study on the resin infusion process based on automated fiber placement fabricated dry fiber preform,” Sci Rep, vol. 9, no. 1, Dec. 2019, doi: 10.1038/s41598-019-43982-1.

[2] P. D. Juarez and E. D. Gregory, “In Situ Thermal Inspection of Automated Fiber Placement for manufacturing induced defects,” Compos B Eng, vol. 220, Sep. 2021, doi: 10.1016/j.compositesb.2021.109002.

[3] P. Hergan, E. Fauster, D. Perkonigg, G. Pinter, and R. Schledjewski, “Flow-speed-controlled quality optimisation for one-shot-hybrid RTM parts,” Advanced Manufacturing: Polymer and Composites Science, vol. 6, no. 1, pp. 29–37, Jan. 2020, doi: 10.1080/20550340.2020.1722910.

[4] P. Hergan, C. Lechner, E. Fauster, G. Pilz, and R. Schledjewski, “Minimum invasive production-related SLS specimen manufacturing for interface characterization of hybrid materials made by RTM,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 102, no. 5–8, pp. 1963–1972, Jun. 2019, doi: 10.1007/s00170-018-3179-z.

[5] Z. Wang et al., “Influences of interface and surface pretreatment on the mechanical properties of metal-CFRP hybrid structures manufactured by resin transfer moulding,” International Journal of Automotive Composites, vol. 2, no. 3/4, p. 272, 2016, doi: 10.1504/ijautoc.2016.084323.

[6] S. Ban, T. Taniki, H. Sato, H. Kono, Y. Iwaya, and M. Miyamoto, “Acid Etching of Titanium for Bonding with Veneering Composite Resins,” 2006.