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Coloración del titanio mediante el tratamiento superficial de oxidación por láser

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Universitat de Barcelona. Departament de Física Aplicada i Òptica

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El titanio es un metal abundante en la Tierra que presenta buenas propiedades mecánicas, baja densidad, resistencia a la corrosión y, además, es biocompatible. Estas características hacen que el titanio y sus aleaciones sean muy utilizados en una gran variedad de aplicaciones tecnológicas, sobre todo en la industria médica, química, naval y aeroespacial. Asimismo, recientemente se ha introducido su uso como metal semi-noble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Para mejorar las … [+]propiedades superficiales del titanio se le puede someter al tratamiento superficial de oxidación que, además, puede originar una variedad de colores muy atractiva que amplía las posibilidades del titanio en el sector de la joyería y de la decoración. Existen distintas técnicas para llevar a cabo la oxidación superficial del titanio para producir su coloración, como son el tratamiento térmico, el procesado con plasma o la oxidación electrolítica. No obstante, existe una alternativa interesante: el tratamiento superficial con láser. Esta técnica presenta una gran resolución espacial, rapidez de procesado y ausencia de contacto material con la pieza a tratar. Además, la posibilidad de irradiar zonas de difícil acceso y la versatilidad de los sistemas de marcado proporcionan al láser una gran aplicabilidad en la coloración del titanio. El objetivo de este trabajo es el estudio de la coloración del titanio mediante la oxidación del titanio en aire con un láser de marcado de Nd:YAG (lambda = 1064 nm) así como la evaluación de la viabilidad industrial de esta técnica en la realización de motivos. Además, se estudian las causas del color de las muestras obtenidas mediante el procesado con láser. El estudio comprende el análisis de la morfología y la composición resultantes al irradiar con un solo pulso láser, al acumular pulsos con una frecuencia de repetición de 30 kHz, al realizar trazas láser en modo continuo y en modo pulsado mediante el desplazamiento del haz láser sobre la superficie de la muestra y, finalmente, al tratar áreas extensas por solapamiento de trazas. Asimismo, se lleva a cabo un estudio de viabilidad de esta técnica mediante la realización de motivos decorativos.
El análisis morfológico del titanio tratado con láser revela cambios significativos en la morfología superficial debido a movimientos termocapilares del material fundido, a los elevados esfuerzos mecánicos que aparecen en el material, a la vaporización y a la formación de un plasma intenso durante el tratamiento. Por otro lado, las muestras presentan distintos colores que, en algunos casos, muestran una tonalidad secundaria. El análisis por microscopia óptica revela que el color de las muestras no es uniforme pues presentan zonas micrométricas de distintos colores. El análisis composicional pone de manifiesto que las muestras están formadas por Ti2O, gamma-TiO, beta-Ti2O3 y TiO2. El estudio de las propiedades ópticas y estructurales de las muestras tratadas con láser así como el análisis comparativo con muestras anodizadas indican que el color es originado esencialmente por fenómenos de interferencias en una capa fina superficial de TiO2 transparente influido, según el caso, por la composición debajo de éste y, en menor medida, por fenómenos de absorción óptica de los demás óxidos. Finalmente, el estudio del color llevado a cabo mediante la variación de los parámetros tecnológicos relacionados con el marcado con láser pone de manifiesto la viabilidad de esta técnica para la realización de motivos en color sobre titanio. Se han empleado distintos modos de operación para efectuar diseños vectoriales, motivos con áreas rellenas de colores y mapas de bits realizados a base de píxeles de colores. Estos modos de marcado permiten realizar diseños de gran calidad, con colores muy atractivos y uniformes.

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Tesis Doctorals - Departament - Física Aplicada i Òptica

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Coloración del titanio mediante el tratamiento superficial de oxidación por láser