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Corrosión y degradación 2024

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MATERIALES AEROESPACIALES
INTRODUCCIÓN A LA CORROSION Y
DEGRADACIÓN DE METALES
Foto de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos/Dr. Wendy Goodson. Luego de proceso de
fumigación
Foto de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos/Dr. Wendy Goodson. Luego de proceso de
fumigación
Las aleaciones utilizadas en los tanques de combustible de aeronaves son susceptibles a la
Corrosión Influida Microbiológicamente (MIC).
Introducción
DETERIORO
Pérdida de las propiedades de un material por su
interacción con el medio circundante.
Incluye:
• Corrosión
• Degradación
POLÍMEROS
ALGUNOS CERÁMICOS
COMPUESTOS
PIEDRA
DEGRADACIÓN
Proceso fisicoquímico
METALES
ALGUNOS CERÁMICOS
CORROSIÓN
Proceso
químico o
electroquímico
Grupo de Corrosión y Protección. Proyecto Biofilm. Medellín, 2004.
Consecuencias de
la corrosión
Efectos económicos
Salud
Seguridad
Efectos culturales
Efectos tecnológicos
Introducción
El costo anual para la industria supera los $2.2 mil millones:
• Gastos en el diseño y fabricación de componentes resistentes a la
corrosión ($0.2 mil millones),
Tiempo de inactividad durante inspecciones por corrosión ($0.3
mil millones)
• Mantenimiento por corrosión de las aeronaves ($1.7 mil
millones).
Introducción
El costo anual para la industria supera los $2.2 mil millones:
• Gastos en el diseño y fabricación de componentes resistentes a la
corrosión ($0.2 mil millones),
Tiempo de inactividad durante inspecciones por corrosión ($0.3
mil millones)
• Mantenimiento por corrosión de las aeronaves ($1.7 mil
millones).
La corrosión representa aproximadamente el 25% de todas las
fallas de componentes metálicos en aeronaves, superando solo
por fatiga.
Introducción
El costo anual para la industria supera los $2.2 mil millones:
• Gastos en el diseño y fabricación de componentes resistentes a la
corrosión ($0.2 mil millones),
Tiempo de inactividad durante inspecciones por corrosión ($0.3
mil millones)
• Mantenimiento por corrosión de las aeronaves ($1.7 mil
millones).
La corrosión representa aproximadamente el 25% de todas las
fallas de componentes metálicos en aeronaves, superando solo
por fatiga.
El riesgo y costo de daños por corrosión aumentan con la edad
de la aeronave, siendo el mantenimiento de corrosión a menudo
mayor que las horas de vuelo reales para aviones antiguos
¿Por qué se corroen los metales?
CICLO DE LOS METALES
Definición
➢ En general se puede definir como la destrucción de un material
por agentes QUIMICOS o FISICO-QUIMICOS.
➢ En el caso de los metales, el ataque puede ser químico o
electroquímico, propagándose el deterioro desde la interface
SOLIDO/LIQUIDO o SOLIDO/GAS hacia el interior del metal.
➢ No puede considerarse como corrosión el desgaste del metal
debido solo a causas meramente mecánicas, como lo son, la
erosión, el frotamiento, etc.
CORROSIÓN
Reacción química o electroquímica de un metal o
aleación con el medio circundante con el
consiguiente deterioro de sus propiedades
CORROSIÓN
Ocurre cuando un metal reacciona con agentes químicos de ambiente que
lo rodea para formar un “producto de corrosión”. Los diferentes metales
tienen diversas tendencias de reacción
CORROSIÓN
En el caso del hierro del
acero:
Los productos de corrosión
se denominan
“herrumbre”…
…y son una mezcla de
óxidos y oxihidróxidos de
hierro
Tipos de corrosión
LA CORROSION SE DIVIDE EN DOS GRANDES GRUPOS:
OXIDACION DIRECTA (Seca)
➢ Se desarrolla en atmósferas secas a elevadas temperaturas. Los átomos
metálicos reaccionan directamente con el medio agresivo ( O2, SO2,Cl2,..)
Material + Oxígeno ---- Óxido del material
CORROSION ELECTROQUIMICA (Húmeda)
➢ Se produce en el caso que el metal este en contacto con un medio
electrolítico, (agua natural, agua marina, humedad). La perdida de material
se produce en las zonas anódicas de las pilas electroquímicas.
Tipos de corrosión
CORROSION ELECTROQUIMICA (Húmeda)
Solución Conductora
Men+
Me
Anodo
ne-
Catodo
Celdas de corrosión
PARTES BÁSICAS DE UNA CELDA DE CORROSIÓN
➢ ANODO-Un metal en contacto con el electrolito el cual se corroe.
➢ CATODO-Un metal en contacto con el electrolito el cual es protegido contra
la corrosión
➢ ELECTRÓLITO-Una solución o medio conductor, tal como suelo, agua o
concreto el cuál contiene oxígeno y especies químicas disueltas.
➢ CONEXIÓN ELÉCTRICA-Un circuito externo que conecta el ánodo y el cátodo.
Celda de corrosión
Ánodo (el que se
oxida)
Cátodo (el que
se reduce)
Electrolito
(usualmente
agua)
Tabla de
Potencial
Reacciones típicas en corrosión de metales
M
ANÓDICAS
CATÓDICAS
Según el ambiente
No
aireado
Aireado
Oxidante
Mn+ + ne-
2H+ + 2e2H2O + 2e-
H2
H2 + 2OH-
O2 + 4H+ + 4e-
2H2O
O2 + 2H2O + 4eFe3+ + e-
4OHFe2+
Productos de corrosión
➢ Qué sucede con los iones metálicos?
➢ Ellos pueden permanecer en solución o pueden reaccionar con
el electrolito para formar un producto sólido, adherente o no
adherente, como los óxidos de hierro (Fe2O3, FeO).
➢ Este producto podría tomar la forma de una película, la cuál
puede proteger el metal interior. A esto se le conoce como
PASIVACIÓN.
➢ Ejemplo, en el acero inoxidable se forma una capa de Cr2O3
Productos de corrosión
➢ Normalmente el acero no produce
películas protectoras o pasivas.
➢ El acero autoprotector, es una aleación
desarrollada para obviar la necesidad
de pintura y formar una capa estable
que dura mucho tiempo.
FORMAS DE CORROSIÓN
ELECTROQUÍMICA
Clasificación de los tipos de corrosión
Según tipo de ataque
Según condiciones físicas o
mecánicas que los motivan
Galvánica
Uniforme
Corrosión erosión
Localizada –
Picadura
Corrosión hendidura
Intergranular
Corrosión bajo tensión
Corrosión selectiva
Tipos de corrosión
Según….
Mecanismo de
deterioro
Tipo de ataque
Condiciones físicas o
mecánicas
Medio
Química
Uniforme
Galvánica
Atmosférica
Electroquímica
Localizada
Corrosión-erosión
Acuosa
Intergranular
Cavitación
En suelos
Transgranular
Corrosión-fatiga
Biocorrosión
Corrosión bajo
tensión
En concreto
Por corrientes
vagabundas
A altas
temperaturas
CORROSIÓN
UNIFORME Y LOCALIZADA
Formas de corrosión electroquímica
(a)
Corrosión uniforme
Corrosión localizada
➢ En corrosión uniforme las corrientes anódicas y catódicas están
distribuidas homogéneamente en toda la superficie
➢ En la corrosión localizada la reacción de oxidación es localizada
en zonas puntuales de la superficie del maerial
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión uniforme
➢ La corrosión uniforme es conocida como corrosión general y
toma lugar en toda la superficie metálica, o una gran fracción
del área total.
➢ Esto se debe a que las reacciones anódicas y catódicas se
distribuyen uniformemente en toda la superficie.
Corrosión uniforme
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión localizada
➢ El ataque es mas localizado como resultado de situaciones
heterogéneas
➢ En la corrosión localizada un sitio anódico fijo sobre la superficie
donde ocurren las reacciones de oxidación esta rodeado por
zonas catódicas donde las reacciones de reducción toman lugar
➢ La corrosión localizada es más peligrosa y es mas difícil de
predecir y controlar y puede conducir a fallos inesperados con
desastrosas consecuencias
CORROSIÓN
POR PICADURA
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión por picadura
•
La corrosión por picadura es un proceso de
corrosión capaz de causar agujeros en el metal.
•
La corrosión por picadura es difícil de
observar porque se forman pequeñas picaduras, o
porque ellas están cubiertas con productos de
corrosión.
•
Las picaduras tienden a desarrollarse y crecer
en forma vertical y un número muy reducido en
forma horizontal.
Ejemplos
Ataque inesperado
y
rápido
•
El picado requiere de un periodo de
iniciación extenso antes de ser visible.
Retos
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión por picadura
•
•
En la mayoría de los casos, estas
perforaciones o picaduras son muy
pequeñas, pero una sola perforación puede
representar la falla del equipo
Ejemplos
Dos tipos de corrosión pueden ocurrir:
Picaduras causadas por haluros
(generalmente los Cl- atacan el acero inoxidable)
Picaduras de aceros al carbono causadas por
ataque con oxigeno.
Ataque inesperado
y
rápido
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión por picadura
Figura Proceso auto-catalítico en el acero
CORROSIÓN
INTERGANULAR
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión interglanular
Se entiende por corrosión intergranular al
ataque selectivo en límites de grano que tiene
lugar en aleaciones Fe-Cr, o Ni-Cr cuando
presentan
determinadas
características
microestructurales, y se sitúan en contacto
con medios agresivos, especialmente medios
ácidos.
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión interglanular
Ejemplo
Ejemplo de corrosión
interglanular en una pieza de
acero inoxidable 316 en una
solución de sulfatos
CORROSIÓN
GALVÁNICA
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
➢ El acople de dos metales con potenciales diferentes en una
solución electrolítica conductora resulta en un ataque acelerado
del metal que actúa como ánodo respecto al metal que actúa
como cátodo
➢ En corrosión galvánica la superficie del metal menos noble se
hace anódica cuando entra en contacto con el metal más noble
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
Más
noble
Menos
noble
Cátodo
Ánodo
Flujo de corriente
Figura Corrosión galvánica o bimetálica
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
Tabla susceptibilidad a la
corrosión de metales y
aleaciones
Retos
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
RELACIÓN ÁREAS ANÓDICAS/CATÓDICAS
Densidad de corriente en ánodo: proporcional a la razón área
catódica / área anódica
Desfavorable: ánodo pequeño y cátodo grande
Toda la icorr se localizará en el ánodo
Retos
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
Latón
Fe
¿Cuál material es más activo?
¿Cuál material es más noble?
Retos
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión galvánica
Latón
Fe
a)
Fe
b)
¿Cuál el mejor caso?
Latón
CORROSIÓN
EROSIÓN
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión erosión
En el fenómeno esta presente un
desgaste mecánico o abrasión debido a
un movimiento del fluido
El metal es removido en forma de iones
metálicos disueltos y como productos de
corrosión sólidos
Corrosión erosión en el
codo de una tubería
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión erosión
El ataque aumenta al aumentar la
velocidad del fluido y se debe al
levantamiento, por erosión de capas
protectoras e incluso material metálico
como consecuencia de múltiples
partículas de liquido o sólidas
Corrosión erosión causada
por la alta velocidad del
vapor en una turbina
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión erosión
➢Las partículas sólidas y las burbujas de
aire son particularmente destructivas en
los procesos de corrosión-erosión
➢Causa la desaparición de capas
Protectoras, dando lugar a procesos de
corrosión intensos
➢La intensidad del ataque aumenta con la
velocidad de flujo hasta alcanzar un valor
máximo
Dirección del flujo
+ +
+
+
+
+
+
+
Corrosión erosión ataques
en diferentes
condiciones de flujo
CORROSIÓN
HENDIDURA
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión por hendidura
La corrosión por hendidura la cual
ocurre en metales activos y pasivos
que son particularmente sensibles.
Este tipo de corrosión se presenta
en uniones intersticios, zonas de
solape, zonas roscadas etc.
Figura Corrosión por hendidura
En general ocurre en zonas mal
aireadas.
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión por hendidura
O2
OH-
e-
ClM+
O2
Na
Na
Cl-
O2
O2
M+
M+
OH-
OH-
M+
Cl-
O2
Na
M+
En general las reacciones consisten de
la disolución de un metal M y la
reducción de oxigeno a iones OH-
OH-
Oxidación: M → M+ +e
e-
e-
e-
Figura fase inicial de la corrosión
por hendidura
Reducción: O2 +2H2O+ 4e → 4OHEstas reacciones ocurren en toda la
superficie y también en la hendidura.
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión por hendidura
Los Cloruros metálicos
hidrolizados en agua forman
hidróxidos insolubles y acido.
M+Cl- +H2O → MOH↓+H+ClLa Corrosión por hendidura
proceso auto-catalítico: al final se
dispone de más ácido que sigue
disolviendo el metal
Ejemplos
CORROSIÓN
BAJO TENSION
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión bajo tensión
La corrosión bajo tensión es otro tipo
de corrosión localizada, que se
reconoce por la presencia de fracturas
en la superficie metálica.
Se caracteriza porque en la superficie
del metal se producen fisuras muy
pequeñas de forma ramificada
Corrosión bajo tensión
en un acero inoxidable
austenítico
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión bajo tensión
Mouritz, A. P. (2012). Introduction to aerospace materials. Elsevier.
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión bajo tensión
Este tipo de ataque es generado por:
•Las tensiones residuales que quedan
en el material o por el efecto de
esfuerzos exteriores tales como de
tracción
•Deformaciones en frió
•Soldaduras
Corrosión bajo tensión
Formas de corrosión electroquímica
Corrosión bajo tensión
Tensión
aplicada o residual
Corrosión Bajo Tensión
Material metalúrgicamente
Medio agresivo
susceptible al agrietamiento
especifico (Cl-)
Figura Esquema que representa las condiciones necesarias para que se de
el fenómeno de corrosión bajo tensión
EFECTOS DE LA
CORROSIÓN
Efectos de la corrosión
COSTOS
Pérdidas directas
❖Substitución de equipos,
partes, piezas, energía, mano
de obra
❖Mantenimiento, procesos
de protección
Fáciles de
cuantificar
Efectos de la corrosión
COSTOS
❖Paradas innecesarias
❖Pérdida de productos
Pérdidas
indirectas
Difíciles de
cuantificar
❖Pérdida de eficiencia
❖Contaminación de
productos
❖Sobre- dimensionamiento
en proyectos
Efectos de la corrosión
❖Pérdida de vidas humanas
Pérdidas no
cuantificables
❖Interrupción en
comunicación
❖ Preservación de
monumentos históricos
Efectos de la corrosión
COSTOS
❖Colombia, (1997). 1300 millones de dólares/año, 1.2%
PIB. 430 millones evitable
❖25% Producción mundial de acero destinado para la
reposición de pérdidas por corrosión
MÉTODOS DE CONTROL DE
LA CORROSIÓN
Métodos de control de la corrosión
❖ Diseño
❖ Selección de materiales
❖ Inhibidores de Corrosión
❖ Protección catódica
❖ Recubrimientos
Métodos de control de la corrosión
Diseño – Parámetros de proceso
Temperatura
Presión
Operación nominal
Presión hidráulica total
Máxima de operación
Sobre presión
Mínima de operación
Variación de la presión
Ciclos térmicos
Métodos de control de la corrosión
Diseño – Parámetros de proceso
Químicas
pH
Especies químicas
El potencial
La concentración de O2
Naturaleza del medio
Métodos de control de la corrosión
Diseño – Parámetros de proceso
➢ Los tanques y otros recipientes deben ir soldados en lugar
de remachados
➢ El diseño de tanques y otros recipientes debe ser de tal
forma que permita fácil limpieza y drenaje
➢ El diseño de un sistema de varios componentes debe
permitir fácil reemplazo de los que puedan fallar
➢Evitar contactos eléctricos entre metales no similares
Métodos de control de la corrosión
Diseño – Parámetros de proceso
Evitar
Evitar
Bueno
Evitar
Preferido
Métodos de control de la corrosión
Diseño – Parámetros de proceso
Hendiduras
Soldaduras
Colector de
líquidos
Tornillo
O
remache
Evitar
Preferido
Métodos de control de la corrosión
Diseño – Materiales disímiles
➢ Diferencias de potencial
➢ Relación de áreas
Control por :
- Materiales compatibles
- Control de áreas
- Aislamiento
- Recubrimientos
Métodos de control de la corrosión
Selección de materiales
Materiales de Ingeniería
Existe una amplia variedad
de materiales que podrían
elegirse para diversas
aplicaciones industriales
En consecuencia también existe
un rango correspondientemente amplio
en cuanto a sus propiedades en
condiciones de servicio.
Metales
Cerámicos
Polímeros
Materiales
compuestos
Métodos de control de la corrosión
Selección de materiales
Resistencia a
la corrosión
Disponibilidad
Costo
Selección de
materiales
Resistencia
Apariencia
Tiempo de vida
en servicio
Factores que influencian la selección de materiales
Métodos de control de la corrosión
Selección de materiales
Cinética
Electroquímicos
Termodinámicos
Resistencia
a la corrosión
Aplicación
Metalúrgicos
Mecánicos
Factores que influencian la selección de materiales
Métodos de control de la corrosión
Selección de materiales
Tiempo de vida en servicio y costos
➢ Tiempo de vida corto – reemplazos frecuentes
➢ Instrucciones de inspección y mantenimiento
➢ Costos de fabricación, mantenimiento, reparaciones
Métodos de control de la corrosión
Inhibidores de corrosión
➢ Un inhibidor de corrosión es un aditivo químico que al ser
agregado a un medio corrosivo, reducen la velocidad de
corrosión de los metales y aleaciones.
➢ Los inhibidores tienen una concentración crítica para que
sean efectivos y prevenir que no se tornen corrosivos.
➢ Consecuentemente, deben ser monitoreados y analizados
frecuentemente.
Métodos de control de la corrosión
Inhibidores de corrosión
Método de actuar de los inhibidores
➢ Adsorción de una película delgada sobre la superficie del
metal.
➢ Formación de una capa pasivante, a veces de naturaleza
desconocida y tan delgada que resulta inapreciable
➢ Modificación de las características corrosivas del medio, por
formación de precipitados protectores que lo separan del metal,
o bien eliminando o desactivando el constituyente corrosivo del
mismo.
Métodos de control de la corrosión
Inhibidores de corrosión
Aplicaciones de compuestos inhibidores de corrosión en aluminio en aeronaves
comerciales (adaptado de información proporcionada por The Boeing Company).
Mouritz, A. P. (2012). Introduction to aerospace materials. Elsevier.
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
➢ La protección catódica es una técnica de protección electroquímica
contra la corrosión, fundamentada en el funcionamiento de una pila
galvánica. En el momento en que uno de estos tres elementos básicos de
una pila falle, ésta dejara de funcionar.
➢Su campo de aplicación va desde la protección de estructuras metálicas
enterradas (gasoductos,
oleoductos, cables de energía,
etc.) e
instalaciones marinas (cascos de buques, tuberías submarinas, boyas,
plataformas de extracción de crudo, muelles, etc.).
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
El objetivo de la protección catódica es de eliminar todos los ánodos de la
superficie metálica haciéndola toda catódica.
Como lograrlo?
Volver catódica una superficie metálica es conectar el metal que se trata de
proteger a otro menos noble que él, es decir, más negativo en la serie
electroquímica.
Existen dos maneras
1)Protección catódica por ánodos de sacrificio
2) Protección catódica por corriente impresa
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
Ánodos de sacrificio
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
Ánodos de sacrificio
Propiedades que debe reunir un material anódico:
•Elevado sobrepotencial.
•Elevado rendimiento eléctrico.
•En el proceso de disolución anódica, la corrosión deberá ser uniforme.
•El metal debe ser de fácil adquisición y deberá de poderse fundir en
diferentes formas y tamaños.
•Costo razonable.
•Ejemplos: Zinc, aluminio, magnesio
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
Ánodos de sacrificio
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
Corriente impresa
Métodos de control de la corrosión
Protección catódica
Corriente impresa
En general un buen ánodo debe poseer las siguientes
propiedades:
1) Bajo consumo
2) Densidad de corriente drenada elevada
3) Pequeñas dimensiones
4) Baja resistividad
5) Buena resistencia mecánica, y
6) Elevado potencial de ruptura
Ejemplos: Chatarra de hierro, grafito
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos
Protección contra la corrosión
Acciones:
1) Medio
2) Material (sustrato)
3) Interfase
4) Proceso (diseño)
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos
Tipos
1) Metálicos
2) Cerámicos
3) Poliméricos
4) Compuestos
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos metálicos
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos metálicos
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos cerámicos
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos cerámicos
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos poliméricos
Sistema de pintura:
➢ Pintura
➢Preparación de superficie
➢Aplicación
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos poliméricos
Métodos de control de la corrosión
Recubrimientos poliméricos
GRACIAS
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