Tecnologa De Los

Materiales

Proceso para Obtencin de Recubrimientos por Proyeccin Trmica

La proyeccin trmica es una tcnica, utilizada en la fabricacin de

componentes, que consiste en proyectar pequeas partculas fundidas que se

unen mecnicamente a una superficie a tratar. El objetivo es proveer un

tratamiento superficial a las piezas que van a estar sometidas a condiciones

extremas de rozamiento, desgaste, calor y/o esfuerzos mecnicos, as

como la resistencia a la corrosin.

Su uso es muy habitual en diferentes componentes de la industria automotriz

(vlvulas), ingeniera mecnica (estructuras metlicas), aeronutica (motores

de turbina), turbinas de gas (labes), imprenta (cilindros) y medicina

(implantes).

CONCEPTO DE PROYECCIN TRMICA

CONCEPTO DE PROYECCIN RECUBRIMEINTO

Un recubrimiento puede ser definido como "una regin superficial de un material con propiedades

diferentes de las del material base". Los objetivos que se pretenden obtener con el empleo de los

recubrimientos son bsicamente reemplazar, modificar y/o lubricar superficies.

Las tres principales reas en las que los recubrimientos han experimentado grandes avances son: el desgaste, la disminucin de la friccin y las barreras trmicas.

El uso del recubrimiento permite que el material base sea optimizado para objetivos tales como resistencia mecnica, ligereza, etc., mientras que la superficie es optimizada para la resistencia al

desgaste, a la friccin, o como aislamiento trmico o elctrico entre otras aplicaciones.

Los aspectos fundamentales del proceso de proyeccin se ilustran en la

figura la cual muestra partculas impactndose sobre una

superficie, previamente preparada, para formar una estructura

laminar caracterstica de los procesos de proyeccin trmica.

Deposicin del recubrimiento

RECUBRIMIENTOS POR PROYECCIN TRMICA

Los rasgos ms importantes de un Recubrimiento por Proyeccin Trmica (RPT), cuya combinacin determina las propiedades de dicho recubrimiento, incluyen: la estructura laminar resolidificada, los poros, las inclusiones de xido, los granos, las fases presentes, las grietas y las intercaras de adhesin. La figura ilustra esquemticamente las caractersticas tpicas de un RPT y hace una representacin de la morfologa de ste.

Estructura del recubrimiento por proyeccin trmica

ESTRUCTURAS DE LOS RECUBRIMIENTOS POR PROYECCIN

TRMICA, PROPIEDADES Y MATERIALES

Splat es un trmino que se refiere a una gota/partcula impactada, tal y como se ilustra en la figura, varios splats superpuestos y contiguos se adhieren unos sobre otros para formar una capa continua del recubrimiento. De este modo, el splat es el elemento bsico en la construccin del recubrimiento. Los splats se forman cuando las partculas previamente fundidas y aceleradas del recubrimiento, se impactan sobre una superficie previamente preparada.

Estructura de un splat

1SPLAT

Las acciones que tienden a minimizar las inclusiones son: Remover el ambiente reactivo, a travs del uso de un gas inerte al interior de

una cmara aislante. Reducir la temperatura promedio de las partculas mediante la reduccin de la

capacidad de calentamiento de los chorros de los equipos para proyeccin trmica.

Reduccin en el tiempo de permanencia, minimizando la distancia de proyeccin y/o aumentando la velocidad del chorro.

Reduccin de la temperatura sustrato-recubrimiento usando chorros de aire de enfriamiento o incrementando la velocidad del dispositivo de proyeccin trmica (velocidad de rociado superficial), minimizando, de este modo, la oxidacin sobre la superficie del recubrimiento.

2MINIMIZACIN DE INCLUSIONES

La porosidad es otro importante rasgo de los recubrimientos que influye fuertemente en las propiedades de stos. Tal y como ocurre con las inclusiones de xido, la porosidad puede ser una caracterstica deseable. La postura ms general es que la porosidad es indeseable. La porosidad genera una pobre adhesin del recubrimiento al sustrato permitiendo de este modo altas tasas de desgaste y corrosin.

La porosidad se asocia generalmente con un alto nmero de partculas sin fundir o bien, resolidificadas que quedan embebidas en el recubrimiento, tal y como se muestra en la figura

Defectos del recubrimiento por proyeccin trmica

3POROSIDAD

La contraccin del material durante su enfriamiento a partir del estado lquido. La presencia de partculas embebidas sin fundir, parcialmente fundidas o resolidificadas que

conducen a la formacin de espacios vacos. Una pobre adhesin intrasplat, originando la separacin de los splats. Un pobre esparcimiento de las particulas entre las superficies adyacentes o splats, lo que puede ser

ocasionado por el enfriamiento, el movimiento lento de las partculas o debido a fenmenos de tensin superficial.

Presencia de grietas intersplats o intrasplat. Altos ngulos de deposicin, que generan zonas ensombrecidas. Rebotes de partculas en paredes ajenas a la pieza a recubrir que provocan el enfriamiento

resolidificacin prematura de las partculas antes de que impacten sobre el sustrato. Sombras debidas a la presencia de superficies adyacentes.

caractersticas estructurales de las partculas impactadas

4 FUENTES QUE ORIGINAN LA

POROSIDAD

Porosidad creada por el resultado de ensombrecimiento debido al ngulo

Porosidad creada por la interferencia de los dispositivos de sujecin

La porosidad es otro importante rasgo de los recubrimientos que influye fuertemente La temperatura del chorro y la distribucin de entalpa. La transferencia de calor efectiva entre la partcula y el chorro, y las propiedades del gas y/o

el chorro. El tamao de la partcula y la distribucin del tamao de stas. La morfologa de las partculas. Las propiedades trmicas de las partculas. El tiempo de permanencia de las partculas. Las distribuciones en las trayectorias de las partculas.

Defectos del recubrimiento por proyeccin trmica

5CONTROL DE LA POROSIDAD

PROYECCIN TRMICA A LLAMA CON POLVO O ALAMBRE

PROYECCIN TRMICA POR COMBUSTIN DE ALTA VELOCIDAD

(HIGH-VELOCITY OXY-FUEL HVOF)

PROYECCIN POR PLASMA

ROYECCIN POR ARCO ELCTRICO

PROYECCIN TRMICA POR DETONACIN (Choque de Llama)

PROYECCIN TRMICA POR LASER

PROCESO DE ROCIADO EN FRI

(COLD SPRAY)

PROCESO DE PROYECCIN TRMICA

La proyeccin trmica por Llama fue el primero y el mas antiguo proceso de proyeccin trmica desarrollado (aprox. en 1917).

La proyeccin con polvo es alimentado continuamente entre un gas comburente (oxgeno O2) y un gas combustible (acetileno C2H2, hidrgeno H2 y propano C3H8). Las partculas impactan en forma de gotas sobre el material preparado para formar el recubrimiento. La mayora de las aleaciones de metal y material duro se proyectan con polvo.

La proyeccin de zinc, aluminio y molibdeno se realiza principalmente con alambre. Una gran ventaja de los alambres y las barras sobre los polvos consisten en que el grado de derretimiento del material es significativamente mayor, lo cual produce recubrimientos ms densos.

VENTAJAS.- Baja inversin, operacin sencilla. DESVENTAJAS.- las capas son de menor calidad, alta porosidad y bajas fuerzas cohesivas y adhesivas

PROYECCIN TRMICA A LLAMA CON POLVO O ALAMBRE

PROYECCIN TRMICA POR LLAMA

CON ALAMBRE

PROYECCIN TRMICA POR

LLAMA CON POLVOS

APLICACIONES.- Proteccin contra la corrosin y el desgaste, resistencia ha altas temperaturas, proteger de la corrosin en caliente y la oxidacin.

Antes Despus

El combustible usado generalmente es propano, propileno, gas natural, hidrgeno o queroseno,

con un comburente, oxgeno o aire. Como consecuencia, los gases se expanden hacia el exterior,

lo que genera un haz supersnico que acelera las partculas, por lo que la velocidad se

maximiza 1370m/s y la temperatura alcanza los 2860C, dando lugar a recubrimientos mas

densos.

VENTAJAS.- uniformidad, la adecuacin a un mayor margen de materiales base, tamao ilimitado de las piezas a recubrir, diversidad de materiales, equipos porttiles, bajos costos de

aplicacin e instalacin, PROYECCIN TRMICA POR ALTA VELOCIDAD - HVOF mayor

rapidez del proceso y posibilidad de mayores espesores .

PROYECCIN TRMICA POR ALTA VELOCIDAD - HVOF

Proteccin contra la corrosin y el desgaste, resistencia ha altas temperaturas y la oxidacin: en

vlvulas, bombas, pistones del timn de direccin

Despus Antes

APLICACIONES DE LA PROYECCIN TRMICA POR HVOF

Esta tcnica de proyeccin puede ser empleada con una amplia variedad de materiales y con un elevado rendimiento. Su empleo disminuye el riesgo de degradacin del revestimiento.

un factor bsico a considerar es la distancia entre el can y la superficie a revestir que suele oscilar entre 5 y los 10cm

Ventajas:

La alta velocidad de las partculas resulta una unin y un revestimiento de alta densidad.

La fuente de calor es inerte, minimizando la oxidacin.

La elevada temperatura del plasma permite la proyeccin de materiales con altos puntos de fusin.

Inconvenientes:

La consistencia y la uniformidad del revestimiento en una gran extensin, puede sufrir variaciones.

La proyeccin tiende a producir revestimientos porosos, especialmente cuando se usa a altas velocidades. Pero la porosidad disminuye con la proyeccin en vaco.

Los depsitos contienen productos de la oxidacin, junto a alguna porosidad debida a la fusin incompleta.

Porosidad: 0.5-3.0%

Temp. Llama: 5000-10000C

Veloc. Part: 200-500m/s

PROYECCIN TRMICA POR PLASMA

APLICACIONES

Proteccin contra diferentes mecanismos de desgaste: abrasin, adhesin, erosin y fretting Proteccin ante los siguientes tipos de corrosin: oxidacin, corrosin por gases calientes,

atmosfrica y corrosin por inmersin. Aislamiento trmico. Reparacin de piezas con desgastes o defectos localizados Fabricacin de sensores

TURBINAS

IMPLANTES

Normalmente van dos alambres continuos de material conductor de electricidad cargados con

polaridad contraria, este tambin se encarga de regular la corriente y tencin elctrica. En el extremo

de la pistola de proyeccin los alambres son forzados a encontrarse, la diferencia de potencial entre

ellos genera el arco voltaico cuyo calor funde los alambres, mientras tanto el aire comprimido es

inyectado por la parte posterior del arco a 550 KPa, Este flujo arrastra y pulveriza las partculas

fundidas. En ocasiones se utiliza una segunda fuente de aire comprimido con el fin de focalizar y

concentrar la proyeccin de partculas.

Normalmente se aplica en materiales elctricamente conductores. Usando nitrgeno o argn como gas

pulverizador, se puede evitar en gran parte la oxidacin lgica de los materiales de base.

Porosidad: 3-6%

Temp. Llama: 4000C

Veloc. Part : 150-170m/s

PROYECCIN TRMICA POR ARCO ELCTRICO

Campos de aplicacin: El recubrimiento de grandes superficies de depsitos,

mayormente en la industria, marina y proteccin contra la corrosin, etc.

APLICACIONES

La proyeccin trmica por choque de llama es un proceso de aplicacin intermitente. Lo que se da en

llamar el can de detonacin consiste en un tubo de salida, en cuyo extremo final se encuentra la

cmara de combustin. Dentro de esta se hace detonar con una chispa la mezcla aportada de acetileno,

oxgeno y material de recubrimiento en polvo. La onda de choque que se produce en el tubo, acelera las

partculas del material. Estas son calentadas en el frente de llamas y proyectadas a gran velocidad, en

un chorro dirigido, sobre la superficie preparada de la pieza.

Despus de cada detonacin tiene lugar un barrido de limpieza de la cmara de combustin y del tubo,

usando nitrgeno. El excelente nivel de calidad de las capas de recubrimiento justifica, en muchos casos,

el mayor costo de la instalacin.

Proyeccin trmica por

detonacin

1. Acetileno

2. Oxgeno

3. Nitrgeno

4. Polvo de recubrimiento

5. Dispositivo de ignicin

6. Tubo de salida con

refrigeracin por agua

7. Pieza de trabajo

PROYECCIN TRMICA POR DETONACIN (Choque de Llama)

Campos de aplicacin tpicos son: mbolos sumergidos de condensadores de gases o bombas,

rotores de turbinas de vapor, condensadores de gases o turbinas de expansin, rodillos para

mquinas de papel en el sector hmedo, rodillos de calandras, etc.

APLICACIONES

Las caractersticas generales:

Mono cromaticidad, coherencia y emisin de la luz en un as de direccin bien determinada.

Absorcin superficial de la energa luminosa por parte de los materiales metlicos .

Control exacto de las zonas sobre las que se desea trabajar.

Control de la potencia del laser que permitir determinados tratamientos.

Energa absolutamente limpia.

Fcilmente automatizable.

Debido a estas propiedades, el laser se configura como una herramienta de trabajo flexible, que aporta

una gran cantidad de energa calorfica en poco tiempo, por tanto con respecto a los tratamientos

convencionales la disminucin de la alteracin trmica es del orden de cinco a diez veces

PROYECCIN TRMICA POR LASER

Resistencia al a corrosin y al laser

Vlvulas

Bombas

Alabes de turbinas

Cilindros de corte

Moldes y herramientas

Rodillos

Reparacin y modificacin de piezas

Engranajes, ejes.

Moldes.

Vlvulas de asiento

Aletas (turbinas de gas)

APLICACIONES

PROTECCIN ANTI-CORROSIN Y ANTI-DESGATE

REPARACIN Y RESTAURACIN DE COMPONENTES

En la proyeccin fra las partculas se aceleran mediante un flujo de gas precalentado a alta presin que pasa a travs de una boquilla y finalmente impactan con el substrato. Bajo condiciones ptimas, las partculas impactan generando un recubrimiento denso, sin presencia de xidos . El rango de velocidad de las partculas vara entre 200 y 1.00 m/s, dependiendo de la geometra de la boquilla, densidad, tamao y forma de la partcula y de la presin y temperatura del gas de procesado. los recubrimientos obtenidos son de alta densidad y que las partculas proyectadas quedan fuertemente unidas. En comparacin con los procesos tradicionales que requieren el calentamiento de las partculas a proyectar a temperaturas cercanas a la de fusin, el proceso fra solo precisa calentar las partculas unos pocos cientos de grados, lo que reduce drsticamente la oxidacin de las partculas y en consecuencia el contenido en xidos del recubrimiento. El revestimiento no experimenta cambios asociados al bajo calentamiento sufrido.

Proyeccin trmica fra

1. Gas de transporte

2. Gas de proceso

3. Tobera de-Laval

4. Chorro supersnico de gas y

pulverizacin de partculas

5. Pieza de trabajo

PROCESO DE ROCIADO EN FRI (COLD SPRAY)

Sus aplicaciones ms frecuentes se encuentran dentro de la industria del automvil, proteccin contra la corrosin e industria electrnica.

Pistones y vlvulas

APLICACIONES

COMPARACIN DE PROCESOS DE PROYECCIN TRMICA

Los recubrimientos mediante proyeccin trmica tienen aplicacin tanto en los productos finales

como en los tiles de produccin, reparacin y mantenimiento o decoracin

Aeroespacial

Naval

Automocin

Ingeniera Civil

Qumica/petrleo Papel y artes grficas

Plsticos

Elctrico/electrnico

Vidrio

Procesos metalrgicos Alimentacin

Biomdico

Textil

Hogar

Sectores

RECUBRIMIENTOS ANTIDESGASTE

Debido a que la proyeccin trmica puede depositar materiales no convencionales, ms de un

factor de desgaste puede ser atacado por un solo recubrimiento, a partir de que varias

propiedades fsicas pueden ser integradas en dicho recubrimiento.

Mecanismos de desgaste

ms usuales: Desgaste abrasivo Desgaste adhesivo (gripaje) Desgaste erosivo Cavitacin El ludimiento El fretting

Recubrimientos Tribolgicos:

Alta resistencia al desgaste Modificacin del coeficiente de friccin

Tipos de recubrimientos:

Cermets (partculas cermicas duras+ matriz metlica tenaz): WC-Co,Cr3C2-NiCr, TiC-Ni.

xidos: Cr2O3, Al2O3.. Aleaciones susceptibles de ser refundidas: NiCrBSi, CoCrBSi. Metales y aleaciones: Mo, Acero, Bronce, Babbit, AlSi. Materiales compuestos: BzAl+Al2O3

APLICACIONES:

Los elementos que se pueden revestir son ejes, volutas,

impulsores, carcazas, cigeales, bancadas, etc

Aplicaciones contra el desgaste

SECTOR PAPELERO

Componentes: Rodillos Solucin: Recubrimiento WC-Co

SECTOR TEXTIL

Problema: Desgaste por el paso de las fibras en

poleas y rodillos tensores

Solucin: Utilizacin de Cr2C3 , Cr2O3

AISLAMIENTO TRMICO

Los recubrimientos para barreras trmicas estn hechos usualmente de zirconia de baja conductividad trmica y/o xidos de aluminio, los cuales se depositan para reducir la conduccin de calor hacia el sustrato. Los procesos por proyeccin trmica pueden introducir al sustrato niveles controlados de porosidad y micro agrietamiento, lo cual tiende a realzar la capacidad aislante del recubrimiento e incrementar su resistencia al choque trmico. El material ms comnmente usado para este fin es la zirconia parcialmente estabilizada.

Barrera termica

Ms utilizado en componentes que sufren corrosin/erosin. Mayor resistencia mecnica. Ms nobles que el substrato. Proteccin en funcin de la integridad del recubrimiento Acero Inoxidable, cermets y aleaciones base Ni y Co.

Aumento de la vida de los componentes

Mejora de la eficiencia

Aumento de temperatura de trabajo

Disminucin del flujo de refrigeracin

Disminucin de costos

Beneficios de las barreras trmicas

RESISTENCIA A LA CORROSIN

La proteccin anticorrosiva es usualmente obtenida con materiales ms nobles que el sustrato, cermicos qumicamente inertes o con polmeros, todos los cuales pueden ser proyectados trmicamente sobre partes expuestas en servicio a la corrosin atmosfrica, ambiental, cida o castica.

Aplicaciones en la proteccin catdica

COMPONENTES: Estructuras de acero en hormign armado en puentes, faros, etc. PROTECCIN: Zn depositado mediante AS.

COMPONENTES: Aleaciones de Aluminio de estructuras porttiles. PROTECCIN: Proyeccin de un recubrimiento Al/Zn o Al/Zn/Sn

OBRA CIVIL

Reparacin de componentes

COMPONENTES: Estructuras de hormign armado. PROBLEMA: Carbonatacin y ataque por Cloruros PROTECCIN: Zn mediante AS/FS

COMPONENTES: Compuertas y diversas estructuras de acero en presas PROBLEMA: Corrosin y desgaste PROTECCIN: Zn, ZnAl

RECUBRIMIENTOS PARA LA RESTAURACIN DIMENSIONAL.

El hierro y el acero son los materiales tpicamente empleados para realizar dichas restauraciones. Mediante el uso de tcnicas de proyeccin trmica por arco elctrico se pueden obtener

recubrimientos de varios milmetros de espesor.

RECUBRIMIENTOS POLIMRICOS

Muchos polmeros pueden ser proyectados trmicamente para ser usados como proteccin contra el ataque qumico, la corrosin o la abrasin. A diferencia de los recubrimientos por

proyeccin trmica inorgnicos, muchos recubrimientos por proyeccin trmica polimricos

exhiben propiedades iguales o mejores que sus contrapartes hechas por moldeo o por fundicin.

Los polmeros con una baja temperatura de transicin vtrea (Tg ) tales como el cloruro de

polivinilo o PVC y el nylon, son los que ofrecen mayor facilidad para ser empleados como

recubrimientos por proyeccin trmica.

Recubrimientos de materiales polimricos

Mejora de las tcnicas de

proyeccin

Mejora de las propiedades de los

recubrimientos polimricos

Aplicaciones

Proteccin contra desgaste y abrasin (PE/Almina)

Resistencia al rayado y choques mecnicos (Nylon/Slice)

Aislamiento elctrico (PEEK)

Bajo coeficiente de friccin (ETFE)

Resistencia qumica (ETFE)

Proteccin contra corrosin (PPS)

Proteccin contra deslizamiento (PP + PE / Almina)

Aplicacin de Polmeros en la proteccin contra la corrosion

COMPONENTES: Seales de Trfico, decoracin. SOLUCIN: Tf +FS-Poliamida, poliuretano, polietileno, polivinilo... Tf + PPS, PEEK mediante PS, FS y HVOF.

VENTAJAS: Espesor y rea recubierta, ausencia de disolventes...

oPE: Polietileno

oPPEK: Polietercetona

oETFE: EtilinoTetroFloruroEtileno

oPPS: polisulfuro de fenileno,

oPP: polipropileno