Uso conjunto de XRF + LIBS: cuándo y cómo tiene sentido

Escrito por Mathieu Bauer

Introducción

En la era digital, tecnologías como los analizadores portátiles de fluorescencia de rayos X (XRF) se han utilizado para analizar y verificar materiales en la cadena de suministro de forma rápida y eficaz, reduciendo nuestra dependencia de laboratorios externos. Esta capacidad de análisis inmediato y rápido ha mejorado la productividad y la seguridad en muchas industrias y, por lo tanto, ha aumentado la rentabilidad y salvado vidas. La popularidad de la XRF en entornos industriales se debe a su facilidad de uso, su bajo costo y su capacidad para verificar que los materiales, principalmente los metales, cumplan con los controles normativos cada vez más estrictos.

La XRF portátil puede medir todos los elementos de la tabla periódica, desde el magnesio hasta el uranio. Sin embargo, con esta técnica no es posible determinar elementos más ligeros que el magnesio, como el carbono. Hasta hace pocos años, la espectrometría de emisión óptica (OES) móvil siempre había sido el método elegido para determinar el carbono en materiales como los aceros de baja aleación y los aceros inoxidables. Los instrumentos OES móviles suelen estar compuestos por dos módulos, son mucho más grandes y pesados y no ofrecen la misma facilidad y rango de movimiento que los instrumentos portátiles.

Más recientemente, los analizadores portátiles de espectrometría de ruptura inducida por láser (LIBS) han aparecido como una tecnología prometedora con el potencial de detectar y cuantificar cualquier elemento de la tabla periódica, al tiempo que tienen un tamaño, forma y portabilidad similares a los de los XRF portátiles.

Principio de funcionamiento y presentación de la muestra

Con la tecnología XRF portátil, la superficie de la muestra es irradiada directamente por un tubo de rayos X miniaturizado, lo que hace que los elementos contenidos en la muestra emitan rayos X secundarios específicos (fluorescencia). Los rayos X emitidos por la muestra se detectan mediante un detector semiconductor. Los XRF portátiles se pueden utilizar principalmente en modo «apuntar y disparar» y los resultados son relativamente insensibles a la geometría o la superficie de la muestra. El diámetro del punto es generalmente de 3 a 9 mm y se necesita una preparación mínima de la muestra para obtener resultados precisos en cuestión de segundos.

Con la tecnología LIBS portátil, un rayo láser incide sobre la superficie y crea un plasma que vaporiza y reduce los metales a átomos. Esos átomos son excitados por la alta energía del plasma y emiten luz específica del elemento en el rango UV-Visible. El láser crea una pequeña quemadura en la superficie de la muestra, el tamaño del punto en el análisis LIBS es típicamente de 50 a 100 µm. Las propiedades del plasma dependen del estado y la rugosidad de la superficie de la muestra. Por lo general, es necesario moler las muestras metálicas para obtener resultados precisos.

¿Cuándo es mejor utilizar el XRF portátil?

El XRF portátil ofrece una precisión excepcional para la mayoría de los tipos de materiales metálicos, especialmente aquellos que contienen altos niveles de metales de transición aleados o metales refractarios. Dichas aleaciones son el acero inoxidable, el titanio, el níquel, las aleaciones a base de cobalto, así como aleaciones especiales de circonio, tungsteno o tantalio.

En el caso de las aleaciones de aluminio y magnesio, a pesar de la baja sensibilidad para el magnesio, el XRF portátil sigue ofreciendo resultados muy precisos.

Al normalizar los resultados al 100 %, los resultados del XRF portátil son insensibles al tamaño, la forma y la rugosidad de la muestra, lo que facilita la medición precisa de muestras pequeñas de hasta milímetros de tamaño. El análisis del espesor y la composición de recubrimientos de una o varias capas facilita el control de la calidad y los costos en una amplia gama de industrias y productos.

El análisis XRF es completamente no destructivo, ya que no altera la superficie de la muestra, por lo que es perfectamente adecuado para el control de calidad de productos terminados o para determinar el espesor de los recubrimientos.

¿Cuándo es mejor utilizar el LIBS portátil?

El LIBS portátil es capaz de detectar elementos más ligeros, como el carbono, por lo que es el método elegido en aplicaciones que requieren la cuantificación del carbono en la identificación positiva de materiales de carbono y aceros de baja aleación.

De hecho, el contenido de carbono y algunos otros elementos son cruciales para predecir la soldabilidad de los aceros al carbono y evitar el agrietamiento en frío.

El LIBS portátil también ofrece una sensibilidad excepcional para elementos específicos en baja concentración, como el níquel, el cromo y el cobre, elementos que son críticos en las tuberías de acero al carbono utilizadas en procesos petroquímicos y en centrales nucleares.

Del mismo modo, cuando se requiere soldar acero inoxidable, se puede utilizar LIBS portátil para determinar el carbono y otros elementos de aleación y garantizar que se utilizan grados L de acero inoxidable, como 304L o 316L, con un contenido de carbono inferior al 0,03 %.

Uso combinado de XRF y LIBS

Los programas de identificación positiva de materiales contribuyen a garantizar la seguridad y la integridad de activos críticos, como tuberías o unidades de procesamiento en refinerías de petróleo, plantas químicas o centrales eléctricas. Las industrias petrolera, gasística, química y de generación de energía utilizan diversos materiales, desde acero al carbono hasta acero inoxidable y superaleaciones. Por lo tanto, tanto el XRF portátil como el LIBS deben ser utilizados por estas industrias o por empresas de inspección externas para verificar la conformidad de los materiales, ya sea antes de su puesta en servicio o mediante pruebas retroactivas. El uso conjunto de XRF y LIBS portátiles también permite a las empresas de inspección lograr la máxima maniobrabilidad y movilidad, por ejemplo, utilizando escaleras o métodos de acceso con cuerdas para probar materiales en lugares de difícil acceso, al tiempo que proporciona una capacidad analítica completa para la identificación positiva de materiales de todo tipo de aleaciones.

Industrias como la aeroespacial, la automotriz, la naval o la farmacéutica llevan mucho tiempo confiando en los XRF portátiles para el control de calidad de una gran variedad de metales y aleaciones. Gracias al uso de LIBS portátiles, estas industrias ahora pueden medir en línea los bajos niveles de carbono en el acero inoxidable y asegurarse de que las piezas críticas para elementos como motores a reacción, colectores de escape, ejes de hélices de barcos o equipos de procesamiento farmacéutico estén fabricadas con acero inoxidable 316L.

Conclusión

Los dispositivos XRF y LIBS portátiles son más complementarios que técnicas competidoras, ya que cada uno destaca en la determinación de la composición y la verificación de los grados de diferentes familias de aleaciones.

En los últimos 15 años, el XRF portátil ha revolucionado la forma de analizar los metales no ferrosos. Se prevé que el LIBS portátil repita este éxito en los próximos 15 años en el ámbito del carbono y los aceros de baja aleación, gracias a su capacidad para diferenciar los grados L y H del acero inoxidable sobre el terreno, debido a su pequeño tamaño, su bajo peso y su capacidad para llegar a los lugares menos accesibles.