Cómo Handheld XRF ha evolucionado el análisis de metales y aleaciones

Fuente: Thermo Fisher Scientific

El control de calidad es crucial cuando se producen metales y aleaciones para su uso en entornos hostiles, ya que incluso pequeñas desviaciones de la composición prevista pueden causar problemas importantes y poner vidas en peligro. Afortunadamente, existe una variedad de métodos que se pueden usar para analizar materiales, ya sea en un laboratorio o en el sitio. Las pruebas in situ tienen la gran ventaja de dar los resultados rápidamente, y una opción popular es la fluorescencia de rayos X portátil (HH-XRF). Este artículo describe cómo HH-XRF puede ayudar a los fabricantes a optimizar sus procesos de control de calidad y garantizar que los materiales cumplan con los requisitos para aplicaciones exigentes.

La fabricación de componentes para las industrias aeroespacial, automotriz, de petróleo y gas o de generación de energía requiere el uso de una gran variedad de metales, incluidos metales exóticos, y aleaciones, como superaleaciones a base de acero inoxidable, níquel y cobalto, y cobre, aluminio. y aleaciones de titanio. Estos materiales deben operar en condiciones duras mientras soportan una cantidad significativa de tensión mecánica. Un buen ejemplo son las palas utilizadas en las turbinas de gas, que trabajan continuamente a alta velocidad y bajo temperaturas extremas. Por lo tanto, es crucial que los fabricantes de estos componentes verifiquen que la composición de los materiales utilizados cumplan con las especificaciones necesarias. Por lo tanto, los programas de control de calidad son una parte integral del proceso de fabricación y, en algunos casos, implican el envío de muestras a un laboratorio para su análisis. Desafortunadamente, este enfoque no solo es destructivo, sino que también consume mucho tiempo, ya que puede llevar varios días recibir los resultados. Estos tiempos de respuesta lentos han llevado al desarrollo de tecnologías novedosas, incluido HH-XRF, que se pueden usar en el sitio para brindar respuestas inmediatas.

Aunque HH-XRF ha estado en el mercado durante más de 50 años, el uso a gran escala solo fue posible después de que los tubos miniaturizados reemplazaran las fuentes radiactivas. Se realizaron más mejoras en los años siguientes, y la introducción del detector de deriva de silicio mejoró significativamente la sensibilidad general de los instrumentos, extendiendo el rango de detección de los números atómicos 22-83 (titanio a bismuto) hasta 12 (magnesio). Las actualizaciones más recientes, incluido el desarrollo de tubos de alta potencia y detectores con ventanas de grafeno, aumentaron la velocidad de detección de elementos ligeros e hicieron posible la detección en niveles de traza. Los sistemas HH-XRF actuales también son capaces de identificar los grados de aleación al comparar las composiciones medidas con los valores tabulados en múltiples bibliotecas que cumplen con varios estándares internacionales como AISI, ASTM, DIN, etc.

La verificación de materiales entrantes y salientes es un paso importante en la producción de componentes para estas aplicaciones de alto estrés y, a menudo, se lleva a cabo en múltiples momentos a lo largo de los procesos de fabricación y ensamblaje. HH-XRF se puede utilizar para medir de manera rápida y conveniente la composición de varios metales y aleaciones. Esto incluye la identificación de aleaciones exóticas, como CSMX-4 (ver Figura 1), y materiales patentados que contienen elementos de aleación típicos, por ejemplo, níquel, y elementos muy poco comunes como renio y tantalio, que mejoran la resistencia a la fluencia del material y la temperatura alta. resistencia a la corrosión.

Figura 1: Análisis HH-XRF de CSMX-4, un grado de superaleación patentado utilizado en turbinas de gas. | Fuente: Thermo Fisher Scientific

En algunos casos, la composición de dos materiales diferentes del mismo proveedor puede ser muy similar, como varillas de acero inoxidable grado 303 y 304. Si bien el 304 es el grado más común de acero inoxidable, que muestra una buena resistencia a la corrosión y es adecuado para múltiples aplicaciones industriales y domésticas, el 303 es el preferido para piezas como bujes, cojinetes, tuercas y pernos que requieren una alta maquinabilidad. El 303 tiene más azufre en comparación con el 304, lo que aumenta su maquinabilidad pero reduce la resistencia a la corrosión y la soldabilidad del material. Por lo tanto, es importante que los dos grados no se mezclen y que se use el material correcto para cada aplicación, algo que se puede verificar fácilmente usando un instrumento HH-XRF (ver Figura 2).

Fuente: Thermo Fisher Scientific

Figura 2 (A y B): Análisis HH-XRF de dos barras fabricadas con acero inoxidable grado 303 (izquierda) y 304 (derecha). | Fuente: Thermo Fisher Scientific

Muchas refinerías, oleoductos y centrales eléctricas se construyeron hace más de 40 años, antes de que se hiciera común realizar análisis de materiales durante la puesta en servicio. Por lo tanto, los fabricantes confiaban en los "informes de pruebas de materiales" proporcionados por las acerías, y los enviaban a los usuarios finales sin más investigación. Desafortunadamente, algunos de los materiales no eran tan duraderos ni resistentes a la corrosión como requería la aplicación, lo que provocó incidentes catastróficos que resultaron en la liberación de líquidos y vapores tóxicos o peligrosos. Para evitar tales fallas, se han implementado programas de pruebas retroactivas como API RP 578. HH-XRF se puede utilizar para recuperar la trazabilidad de los materiales, dando a los operadores de instalaciones de generación de energía o de petróleo y gas la oportunidad de reemplazar los componentes antes de que funcionen mal.

Regulaciones, tales como 'La Restricción de Sustancias Peligrosas en Equipos Eléctricos y Electrónicos' (ROHS) y 'Residuos de Equipos Eléctricos o Electrónicos' (WEEE), restringen la presencia de metales pesados ​​y otros materiales peligrosos en equipos electrónicos y eléctricos. Aunque estas regulaciones se originaron en Europa, posteriormente se adoptaron leyes similares en otros países, incluidos Japón, China, Corea y partes de los Estados Unidos. HH-XRF puede ayudar a garantizar el cumplimiento de las normas y seguir las normas IEC 62321-3-1:2013 o ASTM F2617-15 mediante la detección de plomo, mercurio, cadmio, cromo o bromo. Revisar los productos de esta manera antes de que lleguen a los estantes preserva la confianza entre el fabricante y el usuario final, y ahorra a las empresas los altos costos asociados con las retiradas de productos.

Es crucial que se verifique la composición de los metales y las aleaciones, ya que la desviación de las especificaciones podría causar mucho daño, especialmente cuando el producto final se usa en entornos exigentes. Durante los últimos 20 años, HH-XRF ha revolucionado los programas de control de calidad en una variedad de industrias en las que los metales y las aleaciones son críticos, brindando capacidades de laboratorio a almacenes, líneas de producción e instalaciones industriales. Además, los instrumentos HH-XRF son fáciles de usar y mantener sin un conocimiento profundo de la química, y los resultados confiables en tiempo real permiten a las empresas tomar decisiones rápidas e informadas. Aunque este campo ya ha visto mejoras significativas, hay más innovaciones en el horizonte: como el hardware mejora constantemente, los metales y las aleaciones se pueden identificar más rápido y en cantidades más bajas. Además, existe la posibilidad de que los datos HH-XRF se procesen mediante inteligencia artificial y se introduzcan en procesos de fabricación automatizados y semiautomatizados.

Mateo Bauer , científico sénior de aplicaciones: gerente asociado de productos, Thermo Scientific Field and Safety Instruments. Para obtener más información, llame al +49 89 36 81 38-55, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite thermofisher.com/industrial.