Resumen: La erosión por cavitación es un desafío operativo crítico para las palas de turbinas hidrocinéticas de gran escala, que reduce la eficiencia y aumenta los costos de mantenimiento. Este estudio propone un sistema avanzado de recubrimiento nanoestructurado basado en una arquitectura multicapa: matriz de nitruro de titanio TiN con dispersiones graduales de nanopartículas de tungsteno WC y una capa superficial autocurativa de carburo de silicio SiC. El recubrimiento se deposita mediante Deposición por Láser Pulsado PLD y se complementa con texturizado superficial por ablación con láser de femtosegundo para crear microcavidades periódicas que retrasan la nucleación de burbujas de cavitación. Ensayos simulados indican una mejora de 3.5x en resistencia al desgaste respecto al recubrimiento de cromo duro convencional, con una potencial reducción del 15-20 por ciento en costos de mantenimiento y extensión de la vida útil de las palas hasta 5 años.

Introducción: Las palas de turbinas hidrocinéticas operan en condiciones hidrodinámicas severas donde la implosión de burbujas genera presiones y temperaturas locales extremadamente altas que provocan picaduras y pérdida de material. Los recubrimientos tradicionales presentan limitaciones mecánicas y medioambientales. La estrategia aquí presentada combina dureza, tenacidad y capacidad de autorreparación mediante una estructura multicapa nanocompuesta y texturizado funcional de superficie para mitigar la erosión por cavitación.

Selección de materiales y síntesis: Capa base: TiN por su elevada dureza y buena adherencia sobre sustratos de aleaciones de acero de alta resistencia. Capa intermedia con gradiente de nanopartículas: nanopartículas de carburo de tungsteno WC de 50 nm de diámetro promedio dispersas en la matriz TiN con concentración que varía linealmente desde 5 por ciento en la interfase con el sustrato hasta 20 por ciento en la superficie para optimizar la transición entre adherencia y resistencia al desgaste. Capa superficial: SiC con capacidad de autocuración mediante difusión de silicio que favorece el cierre de microgrietas bajo estrés térmico o mecánico. El recubrimiento se deposita por PLD usando dianas independientes de TiN, WC y SiC con un láser excimer KrF 248 nm, 20 mJ por pulso, 10 Hz en atmósfera de argón a 150 mTorr. La temperatura del sustrato se mantiene en 450 C para promover el crecimiento de granos controlado. Espesor objetivo total 50 a 75 µm.

Texturizado superficial por ablación con láser de femtosegundo: Tras la deposición por PLD, se aplica ablación con láser de femtosegundo fs-LA con láser Ti Sapphire 800 nm, 200 fs, 1 kHz para generar micro-huecos o dimples periódicos con una periodicidad de 50 µm. Estas microestructuras alteran el régimen de flujo líquido en la capa límite, retardando la nucleación y el colapso de cavidades localizadas y reduciendo la intensidad del impacto sobre el material.

Ensayos de cavitación y montaje experimental: Los ensayos de erosión por cavitación se realizan en un circuito hidráulico recirculante que replica condiciones de operación de turbinas hidrocinéticas. Las muestras se exponen a un flujo de agua a 20 m/s durante 24 horas. La intensidad de cavitación se monitoriza mediante detectores acústicos. Se registran pérdida de masa, evolución de rugosidad superficial, cambios microestructurales y dureza.

Métricas y técnicas de caracterización: Las siguientes mediciones se emplean para evaluar desempeño: pérdida de masa medida con balanza electrónica de alta precisión, rugosidad y topografía por AFM, análisis microestructural por SEM y TEM para verificar la dispersión de nanopartículas y la integridad de interfaces, dureza Vickers para resistencia a indentación y eficiencia de autocuración evaluada por cierre de grietas observado con SEM y caracterizado químicamente por espectroscopía Raman tras pruebas de fatiga cíclica.

Modelado matemático simplificado: Tasa de desgaste WR definida por WR = - delta m / (A * t) donde delta m es la pérdida de masa en gramos, A el área expuesta en cm2 y t el tiempo en horas. La difusión de silicio en la capa SiC, responsable del mecanismo de autocuración, se modela inicialmente con la ley de Fick J = -D dC/dx, donde J es el flujo de difusión, D el coeficiente de difusión experimental y dC/dx el gradiente de concentración. La determinación experimental de D mediante ensayos de recocido térmico y análisis Raman permite predecir la cinética de cierre de grietas bajo condiciones de operación.

Resultados esperados y discusión: Se prevé una reducción de la tasa de desgaste en el rango 3 a 5 veces respecto a cromo duro, con la contribución combinada de la matriz TiN reforzada con WC y la capa superficial autocurativa SiC. El texturizado fs-LA proporcionará además una mitigación adicional en la severidad de impactos por cavitación. Imágenes SEM postensayo deberán mostrar menor pitado y pérdida de volumen en las muestras nanocompuestas; AFM mostrará menor incremento de rugosidad y Raman confirmará migración de silicio hacia zonas agrietadas.

Escalabilidad y hoja de ruta: Corto plazo 1 a 2 años: optimización de parámetros PLD para mejorar tasa de deposición y coste, integración con manejo robótico para producción en volumen. Medio plazo 3 a 5 años: desarrollo de sistemas PLD portátiles para aplicación in situ sobre palas instaladas y exploración de nanopartículas alternativas más sostenibles. Largo plazo 5 a 10 años: incorporación de recubrimientos auto-sensores con microactuadores o sensores piezoeléctricos integrados para detectar inicio de cavitación y adaptar propiedades del recubrimiento en tiempo real.

Validación y análisis estadístico: La verificación se realizará mediante comparativas directas con recubrimientos de referencia y análisis estadístico (ANOVA, pruebas t) para confirmar diferencias significativas. Regresiones y modelos empíricos relacionarán parámetros de diseño como concentración de WC y espesor de SiC con WR medido, posibilitando optimización basada en datos experimentales.

Impacto industrial y ejemplos prácticos: En un caso típico, reducir la pérdida anual de material de 10 g a 2 5 g por pala puede traducirse en reducción de paradas de mantenimiento, ahorro de costes y extensión de vida útil de componentes críticos. La combinación de nano refuerzo, gradiente funcional y texturizado superficial ofrece una solución práctica y competitiva frente a recubrimientos convencionales.

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Conclusión: Los recubrimientos nanoestructurados multicapa propuestos representan una vía prometedora para mitigar la erosión por cavitación en palas de turbina hidrocinética, combinando resistencia al desgaste, tenacidad y capacidad de autocuración. La sinergia con texturizado funcional incrementa la eficacia frente a daños por cavitación. La colaboración entre investigación en materiales y soluciones digitales desarrolladas por Q2BSTUDIO facilita la transición desde prototipos de laboratorio a aplicaciones industriales, reduciendo costes operativos y mejorando la disponibilidad de los activos.

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