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