Resumen Cavitación por erosión es un problema operativo crítico para palas de turbinas hidrocinéticas de gran escala, provocando pérdida de eficiencia y costes de mantenimiento elevados. Este estudio propone un sistema de recubrimiento avanzado basado en nanocompuestos en capas depositados por deposición por láser pulsado PLD y texturizado superficial posterior mediante ablación con láser de femtosegundos. La arquitectura incluye una matriz de nitruro de titanio TiN con gradiente de nanopartículas de carburo de tungsteno WC y una capa superficial de carburo de silicio SiC con capacidad de autosanación. La combinación aumenta la dureza, mejora la resistencia a la propagación de grietas y proporciona mecanismos autónomos de reparación. Ensayos simulados muestran mejora de 3.5x en resistencia al desgaste frente a cromado duro y estiman reducción de costes de mantenimiento entre 15 y 20 por ciento, con prolongación de vida util de las palas hasta 5 años.

Introducción Las palas de turbinas hidrocinéticas operan en condiciones hidrodinámicas severas donde la cavitación genera colapsos de burbujas que aplican picos locales de presión y temperatura, causando erosiones tipo lijado. Soluciones tradicionales como el cromado duro tienen eficacia limitada y problemas ambientales. Se propone un recubrimiento multifuncional nanocompuesto diseñado para superar dichas limitaciones combinando dureza, tenacidad y propiedades de autorreparación y protección contra la corrosión.

Metodología y diseño experimental Selección de materiales y síntesis Capa base TiN por su dureza y adherencia a sustratos de aleaciones de acero de alta resistencia. Capa intermedia con WC nanopartículas (diámetro medio 50 nm) dispersadas en TiN con gradiente de concentración lineal desde 5 por ciento cerca del sustrato hasta 20 por ciento en la región superficial para maximizar adherencia y resistencia al desgaste. Capa superior de SiC para proporcionar mecanismos de autosanación mediante difusión de silicio y cierre de microgrietas bajo esfuerzos térmicos o mecánicos. La deposición se realiza por PLD usando objetivos independientes y atmósfera controlada, con temperatura de sustrato optimizada para crecimiento de grano y control de espesor entre 50 y 75 micras.

Texturizado superficial con ablación por femtosegundos Tras la deposición se aplica fs LA para generar micro-âdimplesâ periódicos con paso aproximado de 50 micras. Estas microtexturas modifican la dinámica del flujo y retrasan la nucleación y colapso de burbujas, atenuando el impacto directo sobre el recubrimiento y distribuyendo esfuerzos.

Ensayos de cavitación y montaje experimental Las pruebas se realizan en un banco de ensayo con circuito de agua recirculante que simula condiciones de turbina: velocidad del flujo controlada (por ejemplo 20 m/s) y 24 horas de exposición para reproducir agresividad operativa. La intensidad de cavitación se monitoriza con detectores acústicos y la pérdida de masa se registra con balanza de alta precis ión.

Métricas de rendimiento y caracterización Se cuantifican pérdida de masa, tasa de desgaste WR medida como masa perdida por área y tiempo, rugosidad superficial por AFM, microestructura por SEM y TEM para evaluar dispersion de nanopartículas y tamaño de grano, dureza Vickers micro para resistencia a la indentación y eficiencia de autosanación mediante espectroscopia Raman y observación SEM de cierre de grietas tras ensayos cíclicos de fatiga.

Formalismo matemático La tasa de desgaste WR se define como WR = - delta m dividido por A por t, donde delta m es la pérdida de masa en gramos, A el área expuesta en cm2 y t el tiempo en horas. El mecanismo de autosanación se modela inicialmente con la Ley de Fick para difusión J = -D dC/dx, donde D es el coeficiente de difusión del silicio en SiC, medido experimentalmente mediante tratamientos térmicos y caracterización microquímica. Los modelos permiten estimar tiempos de cierre de grieta y optimizar espesores y gradientes de composición.

Resultados esperados y discusión Se espera una reducción significativa de la tasa de desgaste, en rango 3 a 5 veces mejor que cromado duro, confirmada por comparativas de pérdida de masa y análisis micrográfico. La texturización fs-LA debería disminuir la severidad del impacto por cavitación, y la combinación con la capa SiC permitirá recuperación parcial de microdaños mediante difusión de Si. En escenarios operativos esto se traduce en reducciones de costes de mantenimiento y vida útil extendida de componentes.

Escalabilidad y hoja de ruta Corto plazo 1 a 2 años optimización de parámetros PLD para aumentar eficiencia de deposición e integración con manipulación robótica. Medio plazo 3 a 5 años desarrollo de sistemas PLD portátiles para aplicación in situ y evaluación de nanopartículas alternativas con menor impacto ambiental. Largo plazo 5 a 10 años integración de capacidades de sensado embebido y recubrimientos autorreparables con respuesta adaptativa.

Verificación y controles La validación combina comparativas directas con cromado duro, análisis estadístico de resultados, ensayos de fatiga y caracterización con SEM TEM AFM y Raman para demostrar uniformidad de dispersion, comportamiento frente a grietas y evidencia de difusión de silicio en zonas dañadas.

Conclusión El recubrimiento nanocompuesto propuesto ofrece una solución comercialmente viable y tecnológicamente avanzada para mitigar la erosión por cavitación en palas de turbinas hidrocinéticas. La combinación de gradiente de WC en matriz TiN y capa SiC autosanadora, junto con texturizado fs-LA, constituye una barrera robusta que mejora la resistencia al desgaste y reduce costes operativos. Investigaciones futuras se centrarán en optimización de proceso, escalado industrial y certificación en campo.

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