Materiales
Corrosión y desgaste del revestimiento de aeronave tras la limpieza láser
La fuente primaria de la cifra de 5 J/cm². Zhu et al. ensayaron el decapado del revestimiento Boeing entre 2 y 6 J/cm² y midieron fricción, desgaste, microdureza, tensión residual y corrosión. Atención al equipo empleado: un Nd:YAG de conmutación Q, no un láser de fibra, y con un régimen de pulso que no es el del FP-300.
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Lo que sigue es un resumen propio de lo que el artículo concluye, con la cita completa para que acuda usted a la fuente.
Por qué importa este artículo
Es la fuente primaria de la cifra de 5 J/cm² que se repite en toda esta biblioteca y en el argumento comercial del FP-300. Si alguna vez tiene que defender el proceso ante un inspector o ante el departamento de ingeniería de un cliente, este es el trabajo que hay que poner encima de la mesa.
Y conviene haberlo leído entero, no sólo la cifra: el equipo del ensayo no es un FP-300 ni se le parece en el régimen de pulso, y eso condiciona qué conclusiones se pueden trasladar y cuáles no.
Qué se ensayó
Los autores emplearon un láser pulsado de estado sólido bombeado por diodo, de potencia media y alta energía, para retirar la imprimación BMS10-11 de la superficie del revestimiento de aeronaves de la serie Boeing.
Barrieron densidades de energía de 2 a 6 J/cm² y, para cada una, midieron:
- la morfología superficial, por microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de energía dispersiva (EDS);
- la fricción y el desgaste, tanto en zona lisa del revestimiento como en el taladro de remache, que es donde se inician las grietas de fatiga;
- la microdureza;
- la tensión residual;
- el comportamiento frente a corrosión.
El contraste se hizo siempre contra el lapeado mecánico, que es el método tradicional.
Qué concluyeron
El láser retira eficazmente la capa de pintura BMS10-11, y el mejor resultado se obtiene a 5 J/cm². Una limpieza excesiva atraviesa la capa clad de aluminio de la superficie y daña el sustrato.
A 5 J/cm², las propiedades de fricción y desgaste no se reducen, ni en la superficie del revestimiento ni en el taladro de remache. Frente al método tradicional, el desgaste por fatiga de rozamiento del remache llega a reducirse.
La superficie queda endurecida y ligeramente reforzada. Pero el revestimiento presenta deformación plástica tras la limpieza, lo que aumenta la tensión residual de tracción. Este punto es el que exige leer el apartado siguiente antes de trasladarlo a otro equipo: se midió sobre un Nd:YAG de conmutación Q a 350 kW de pico, 10 kHz y 5 mm/s de barrido.
Frente a los métodos tradicionales, a 2, 5 y 6 J/cm² el láser no reduce la dureza ni la resistencia a la corrosión del revestimiento.
El equipo que se empleó, y por qué importa
Este es el apartado que hay que leer antes de trasladar cualquier conclusión de este trabajo a un FP-300. El equipo no es equivalente.
Equipo del ensayo (tabla 1 del artículo): limpiadora láser de estado sólido bombeada por diodo, de media potencia y alta energía (SC200W-350KW, Laser Institute, Shandong Academy of Sciences, Jinan).
| Zhu et al. (2020) | FeatherPulse FP-300 | |
|---|---|---|
| Fuente | Nd:YAG con conmutación Q, barra bombeada por diodo | Fibra dopada con iterbio, arquitectura MOPA (YDFLP) |
| Longitud de onda | 1064 nm | 1064 nm |
| Potencia media máxima | 200 W | 300 W |
| Potencia de pico | 350 kW | 30 kW |
| Energía máxima por pulso | 25 mJ | 5 mJ |
| Frecuencia de repetición | 10 kHz | 20–500 kHz |
| Velocidad de barrido | 5 mm/s | 200–500 mm/s (habitual) |
| Diámetro del punto | 0,5 mm | 0,5–2,0 mm |
| Solape | 0,3 | 0,3–0,5 |
| Fluencias ensayadas | 2, 3, 4, 5 y 6 J/cm² | 3–7 J/cm² en imprimación |
La diferencia decisiva no es la fluencia: es el régimen de pulso
La fluencia de trabajo es prácticamente la misma en ambos casos —el entorno de 5 J/cm²—, así que no es ahí donde está la diferencia. Está en cuánta carga mecánica acumulada recibe cada punto de la superficie.
Con los datos del ensayo, el punto de 0,5 mm avanzando a 5 mm/s tarda 0,1 s en recorrer su propio diámetro. A 10 kHz, eso son unos 1000 pulsos sobre cada punto.
Con los parámetros habituales del FP-300 —punto de 0,8 mm, 300 mm/s, 40 kHz— el recorrido equivalente dura 2,7 ms, es decir unos 107 pulsos sobre cada punto.
Del orden de diez veces menos pulsos, y cada uno con una potencia de pico casi doce veces menor. La deformación plástica y la tensión residual de tracción son precisamente efectos fotomecánicos acumulativos: dependen del número de impactos y de la potencia de pico de cada uno, no de la densidad de energía media.
La reserva del artículo, y hasta dónde llega
El resumen del propio trabajo señala que la deformación plástica que aparece en la superficie tras la limpieza láser es
«el problema al que el departamento de ingeniería debe prestar atención actualmente».
Conviene entender bien el alcance de esa reserva:
- Es real y está medida, con analizador de tensión residual por rayos X, en el equipo y con los parámetros descritos arriba.
- No puede darse por trasladable a un láser de fibra MOPA de alta frecuencia sin medirlo. El régimen de pulso difiere en uno o dos órdenes de magnitud justo en las variables que gobiernan ese efecto.
- Tampoco puede darse por descartada. Que nadie la haya medido sobre un FP-300 no es lo mismo que haber medido que no ocurre. La evidencia que hay a favor es indirecta: el examen en sección transversal de Textron Aviation no encontró daño en la capa clad.
La postura honesta, y la más sólida ante un ingeniero, es esa: el hallazgo existe, está acotado a un equipo distinto, y en el nuestro está sin medir.
Contexto que aporta el artículo
Los autores recuerdan por qué existe el problema: una aeronave comercial debe inspeccionarse cada seis años, o cada 24 000 horas acumuladas de vuelo, o cada 2000 ciclos de despegue y aterrizaje. En cada una de esas inspecciones hay que retirar la pintura por completo para poder examinar el sustrato en busca de defectos de corrosión y de grietas de fatiga.
Cita
Zhu, G.; Wang, S.; Cheng, W.; Ren, Y.; Wen, D. «Corrosion and Wear Performance of Aircraft Skin after Laser Cleaning». Optics & Laser Technology, 2020. Publicado por Elsevier bajo la Elsevier user license.
Autores: School of Mechanical Engineering, University of Jinan (Jinan 250022, China) y Qilu University of Technology, Shandong Academy of Sciences (Jinan 250014, China).