01. proceso para obtencion de recubrimientos por proyeccion termica
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Tecnología De Los Materiales
Proceso para Obtención de Recubrimientos por Proyección Térmica
La proyección térmica es una técnica, utilizada en la
fabricación de componentes, que consiste en proyectar
pequeñas partículas fundidas que se unen
mecánicamente 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
mecánicos, así como la resistencia a la corrosión.
Su uso es muy habitual en diferentes componentes de
la industria automotriz (válvulas), ingeniería mecánica
(estructuras metálicas), aeronáutica (motores de
turbina), turbinas de gas (álabes), imprenta (cilindros) y
medicina (implantes).
CONCEPTO DE PROYECCIÓN TÉRMICA
CONCEPTO DE PROYECCIÓN RECUBRIMEINTO
• Un recubrimiento puede ser definido como "una región 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 básicamente reemplazar, modificar y/o lubricar
superficies.
• Las tres principales áreas en las que los recubrimientos han
experimentado grandes avances son: el desgaste, la disminución de la
fricción y las barreras térmicas.
• El uso del recubrimiento permite que el material base sea optimizado
para objetivos tales como resistencia mecánica, ligereza, etc.,
mientras que la superficie es optimizada para la resistencia al
desgaste, a la fricción, o como aislamiento térmico o eléctrico entre
otras aplicaciones.
Los aspectos fundamentales del proceso de
proyección se ilustran en la figura la cual
muestra partículas impactándose sobre una
superficie, previamente preparada, para formar
una estructura laminar característica de los
procesos de proyección térmica.
Deposición del recubrimiento
RECUBRIMIENTOS POR PROYECCIÓN TÉRMICA
Los rasgos más importantes de un Recubrimiento por Proyección Térmica (RPT), cuya combinación determina las propiedades de dicho recubrimiento, incluyen: la estructura laminar resolidificada, los poros, las inclusiones de óxido, los granos, las fases presentes, las grietas y las intercaras de adhesión. La figura ilustra esquemáticamente las características típicas de un RPT y hace una representación de la morfología de éste.
Estructura del recubrimiento por proyección térmica
ESTRUCTURAS DE LOS RECUBRIMIENTOS POR PROYECCIÓN TÉRMICA, PROPIEDADES Y MATERIALES
“Splat” es un término que se refiere a una gota/partícula impactada, tal y como se ilustra en la figura, varios splatssuperpuestos y contiguos se adhieren unos sobre otros para formar una capa continua del recubrimiento. De este modo, el splat es el elemento básico en la construcción del recubrimiento. Los splats se forman cuando las partículas previamente fundidas y aceleradas del recubrimiento, se impactan sobre una superficie previamente preparada.
Estructura de un splat
1°SPLAT
Las acciones que tienden a minimizar las inclusiones son: Remover el ambiente reactivo, a través del uso de un
gas inerte al interior de una cámara aislante. Reducir la temperatura promedio de las partículas
mediante la reducción de la capacidad de calentamiento de los chorros de los equipos para proyección térmica.
Reducción en el tiempo de permanencia, minimizando la distancia de proyección y/o aumentando la velocidad del chorro.
Reducción de la temperatura sustrato-recubrimiento usando chorros de aire de enfriamiento o incrementando la velocidad del dispositivo de proyección térmica (velocidad de rociado superficial), minimizando, de este modo, la oxidación sobre la superficie del recubrimiento.
2°MINIMIZACIÓN DE
INCLUSIONES
La porosidad es otro importante rasgo de los recubrimientos que influye fuertemente en las propiedades de éstos. Tal y como ocurre con las inclusiones de óxido, la porosidad puede ser una característica deseable. La postura más general es que la porosidad es indeseable. La porosidad genera una pobre adhesión del recubrimiento al sustrato permitiendo de este modo altas tasas de desgaste y corrosión.
La porosidad se asocia generalmente con un alto número de partículas sin fundir o bien, resolidificadas que quedan embebidas en el recubrimiento, tal y como se muestra en la figura
Defectos del recubrimiento por proyección térmica
3°POROSIDAD
La contracción del material durante su enfriamiento a partir del estado líquido.
La presencia de partículas embebidas sin fundir, parcialmente fundidas o resolidificadas que conducen a la formación de espacios vacíos.
Una pobre adhesión intrasplat, originando la separación 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 partículas o debido a fenómenos de tensión superficial.
Presencia de grietas intersplats o intrasplat. Altos ángulos de deposición, que generan zonas ensombrecidas. Rebotes de partículas en paredes ajenas a la pieza a recubrir que
provocan el enfriamiento resolidificación prematura de las partículas antes de que impacten sobre el sustrato.
Sombras debidas a la presencia de superficies adyacentes.
características estructurales de las partículas impactadas
4°FUENTES QUE
ORIGINAN LA POROSIDAD
Porosidad creada por el resultado de “ensombrecimiento” debido al ángulo
Porosidad creada por la interferencia de los dispositivos de sujeción
La porosidad es otro importante rasgo de los recubrimientos que influye fuertemente
La temperatura del chorro y la distribución de entalpía. La transferencia de calor efectiva entre la partícula y el chorro, y las
propiedades del gas y/o el chorro. El tamaño de la partícula y la distribución del tamaño de éstas. La morfología de las partículas. Las propiedades térmicas de las partículas. El tiempo de permanencia de las partículas. Las distribuciones en las trayectorias de las partículas.
Defectos del recubrimiento por proyección térmica
5°CONTROL DE LA
POROSIDAD
PROYECCIÓN TÉRMICA A LLAMA CON POLVO O ALAMBRE
PROYECCIÓN TÉRMICA POR COMBUSTIÓN DE ALTA
VELOCIDAD
(HIGH-VELOCITY OXY-FUEL “HVOF”)
PROYECCIÓN POR PLASMA
ROYECCIÓN POR ARCO ELÉCTRICO
PROYECCIÓN TÉRMICA POR DETONACIÓN (Choque de Llama)
PROYECCIÓN TÉRMICA POR LASER
PROCESO DE ROCIADO EN FRIÓ
(COLD SPRAY)
PROCESO DE PROYECCIÓN TÉRMICA
La proyección térmica por Llama fue el primero y el mas antiguoproceso de proyección térmicadesarrollado (aprox. en 1917).
La proyección con polvo es alimentado continuamente entre ungas comburente (oxígeno O2) y un gas combustible (acetilenoC2H2, hidrógeno H2 y propano C3H8). Las partículas impactan enforma de gotas sobre el material preparado para formar elrecubrimiento. La mayoría de las aleaciones de metal y materialduro se proyectan con polvo.
La proyección de zinc, aluminio y molibdeno se realizaprincipalmente con alambre.
Una gran ventaja de los alambres y las barras sobre los polvosconsisten en que el grado de derretimiento del material essignificativamente mayor, lo cual produce recubrimientos másdensos.
VENTAJAS.- Baja inversión, operación sencilla. DESVENTAJAS.- las capas son de menor calidad,
alta porosidad y bajas fuerzas cohesivas y adhesivas
PROYECCIÓN TÉRMICA A LLAMA CON POLVO O ALAMBRE
PROYECCIÓN TÉRMICA POR LLAMA
CON ALAMBRE
PROYECCIÓN TÉRMICA POR
LLAMA CON POLVOS
APLICACIONES.- Protección contra la corrosión y el desgaste,
resistencia ha altas temperaturas, proteger de la corrosión en
caliente y la oxidación.
Antes Después
El combustible usado generalmente es propano, propileno, gas
natural, hidrógeno o queroseno, con un comburente, oxígeno o aire.
Como consecuencia, los gases se expanden hacia el exterior, lo
que genera un haz supersónico que acelera las partículas, por lo
que la velocidad se maximiza 1370m/s y la temperatura alcanza los
2860°C, dando lugar a recubrimientos mas densos.
VENTAJAS.- uniformidad, la adecuación a un mayor margen de
materiales base, tamaño ilimitado de las piezas a recubrir, diversidad
de materiales, equipos portátiles, bajos costos de aplicación e
instalación, PROYECCIÓN TÉRMICA POR ALTA VELOCIDAD -
HVOF mayor rapidez del proceso y posibilidad de mayores espesores
.
PROYECCIÓN TÉRMICA POR ALTA VELOCIDAD - HVOF
Protección contra la corrosión y el desgaste, resistencia ha altas
temperaturas y la oxidación: en válvulas, bombas, pistones del timón
de dirección
Despué
sAntes
APLICACIONES DE LA PROYECCIÓN TÉRMICA POR
HVOF
Esta técnica de proyección puede ser empleada con una amplia variedadde materiales y con un elevado rendimiento. Su empleo disminuye elriesgo de degradación del revestimiento.
un factor básico a considerar es la distancia entre el cañón y lasuperficie a revestir que suele oscilar entre 5 y los 10mm
Ventajas:
La alta velocidad de las partículas resulta una unión y un revestimientode alta densidad.
La fuente de calor es inerte, minimizando la oxidación.
La elevada temperatura del plasma permite la proyección de materialescon altos puntos de fusión.
Inconvenientes:
La consistencia y la uniformidad del revestimiento en una granextensión, puede sufrir variaciones.
La proyección tiende a producir revestimientos porosos, especialmentecuando se usa a altas velocidades. Pero la porosidad disminuye con laproyección en vacío.
Los depósitos contienen productos de la oxidación, junto a algunaporosidad debida a la fusión incompleta.
•Porosidad: 0.5-3.0%
•Temp. Llama: 5000-
10000ºC
•Veloc. Part: 200-
500m/s
PROYECCIÓN TÉRMICA POR PLASMA
APLICACIONES
Protección contra diferentes mecanismos de desgaste: abrasión, adhesión, erosión y fretting
Protección ante los siguientes tipos de corrosión: oxidación, corrosión por gases calientes, atmosférica y corrosión por inmersión.
Aislamiento térmico. Reparación de piezas con desgastes o defectos localizados Fabricación de sensores
TURBINA
S
IMPLANT
ES
Normalmente van dos alambres continuos de material conductor de
electricidad cargados con polaridad contraria, este también se encarga
de regular la corriente y tención eléctrica. En el extremo de la pistola de
proyección 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
partículas fundidas. En ocasiones se utiliza una segunda fuente de aire
comprimido con el fin de focalizar y concentrar la proyección de
partículas.
Normalmente se aplica en materiales eléctricamente conductores.
Usando nitrógeno o argón como gas pulverizador, se puede evitar en
gran parte la oxidación lógica de los materiales de base.
•Porosidad: 3-
6%
•Temp. Llama: 4000ºC
•Veloc. Part : 150-
170m/s
PROYECCIÓN TÉRMICA POR ARCO ELÉCTRICO
Campos de aplicación: El recubrimiento de grandes
superficies de depósitos, mayormente en la industria,
marina y protección contra la corrosión, etc.
APLICACIONES
La proyección térmica por choque de llama es un proceso de aplicación
intermitente. Lo que se da en llamar el “cañón de detonación” consiste en
un tubo de salida, en cuyo extremo final se encuentra la cámara de
combustión. Dentro de esta se hace detonar con una chispa la mezcla
aportada de acetileno, oxígeno y material de recubrimiento en polvo. La
onda de choque que se produce en el tubo, acelera las partículas 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.
Después de cada detonación tiene lugar un barrido de limpieza de la
cámara de combustión y del tubo, usando nitrógeno. El excelente nivel de
calidad de las capas de recubrimiento justifica, en muchos casos, el
mayor costo de la instalación.
Proyección térmica
por detonación
1. Acetileno
2. Oxígeno
3. Nitrógeno
4. Polvo de
recubrimiento
5. Dispositivo de
ignición
6. Tubo de salida con
refrigeración por
agua
PROYECCIÓN TÉRMICA POR DETONACIÓN (Choque de Llama)
Campos de aplicación típicos son: émbolos sumergidos de
condensadores de gases o bombas, rotores de turbinas de vapor,
condensadores de gases o turbinas de expansión, rodillos para
máquinas de papel en el sector húmedo, rodillos de calandras, etc.
APLICACIONES
Las características generales:
Mono cromaticidad, coherencia y emisión de la luz en un as de
dirección bien determinada.
Absorción superficial de la energía luminosa por parte de los materiales
metálicos .
Control exacto de las zonas sobre las que se desea trabajar.
Control de la potencia del laser que permitirá determinados
tratamientos.
Energía absolutamente limpia.
Fácilmente automatizable.
Debido a estas propiedades, el laser se configura como una herramienta
de trabajo flexible, que aporta una gran cantidad de energía calorífica en
poco tiempo, por tanto con respecto a los tratamientos convencionales la
disminución de la alteración térmica es del orden de cinco a diez veces
PROYECCIÓN TÉRMICA POR LASER
Resistencia al a corrosión y al
laser
• Válvulas
• Bombas
• Alabes de turbinas
• Cilindros de corte
• Moldes y herramientas
• Rodillos
Reparación y modificación de
piezas
• Engranajes, ejes.
• Moldes.
• Válvulas de asiento
• Aletas (turbinas de gas)
APLICACIONES
PROTECCIÓN ANTI-CORROSIÓN Y ANTI-DESGATE
REPARACIÓN Y RESTAURACIÓN DE COMPONENTES
En la proyección fría las partículas se aceleran mediante un flujo degas precalentado a alta presión que pasa a través de una boquilla yfinalmente impactan con el substrato. Bajo condiciones óptimas, laspartículas impactan generando un recubrimiento denso, sin presenciade óxidos . El rango de velocidad de las partículas varía entre 200 y1.00 m/s, dependiendo de la geometría de la boquilla, densidad,tamaño y forma de la partícula y de la presión y temperatura del gasde procesado.
los recubrimientos obtenidos son de alta densidad y que laspartículas proyectadas quedan fuertemente unidas. En comparacióncon los procesos tradicionales que requieren el calentamiento de laspartículas a proyectar a temperaturas cercanas a la de fusión, elproceso fría solo precisa calentar las partículas unos pocos cientosde grados, lo que reduce drásticamente la oxidación de las partículasy en consecuencia el contenido en óxidos del recubrimiento. Elrevestimiento no experimenta cambios asociados al bajocalentamiento sufrido.
Proyección térmica fría
1. Gas de transporte
2. Gas de proceso
3. Tobera de-Laval
4. Chorro supersónico
de gas y pulverización
de partículas
5. Pieza de trabajo
PROCESO DE ROCIADO EN FRIÓ (COLD SPRAY)
Sus aplicaciones más frecuentes se encuentrandentro de la industria del automóvil, proteccióncontra la corrosión e industria electrónica.
Pistones y válvulas
APLICACIONES
COMPARACIÓN DE PROCESOS DE PROYECCIÓN TÉRMICA
Los recubrimientos mediante proyección térmica tienen aplicación
tanto en los productos finales como en los útiles de producción,
reparación y mantenimiento o decoración
•Aeroespacial
•Naval
•Automoción
•Ingeniería Civil
•Química/petróleo
•Papel y artes gráficas
•Plásticos
•Eléctrico/electrónico
•Vidrio
•Procesos metalúrgicos
•Alimentación
•Biomédico
•Textil
•Hogar
Sectores
RECUBRIMIENTOS ANTIDESGASTE
Debido a que la proyección térmica puede depositar materiales no
convencionales, más de un factor de desgaste puede ser atacado por
un solo recubrimiento, a partir de que varias propiedades físicas
pueden ser integradas en dicho recubrimiento.
Mecanismos de desgaste más usuales:
Desgaste abrasivo
Desgaste adhesivo (gripaje)
Desgaste erosivo
Cavitación
El ludimiento
El fretting
Recubrimientos Tribológicos:
Alta resistencia al desgaste
Modificación del coeficiente de
fricciónTipos de recubrimientos:
Cermets (partículas cerámicas duras+ matriz metálica
tenaz):
WC-Co,Cr3C2-NiCr, TiC-Ni.
Óxidos: Cr2O3, Al2O3..
Aleaciones susceptibles de ser refundidas: NiCrBSi,
CoCrBSi.
Metales y aleaciones: Mo, Acero, Bronce, Babbit, AlSi.
Materiales compuestos: BzAl+Al2O3APLICACIONES:
Los elementos que se pueden revestir
son ejes, volutas, impulsores,
carcazas, cigüeñales, bancadas, etc
Aplicaciones contra el desgaste
SECTOR
PAPELERO
• Componentes: Rodillos
•Solución: Recubrimiento WC-Co
SECTOR TEXTIL
Problema: Desgaste por el paso de
las fibras en poleas y rodillos tensores
Solución: Utilización de Cr2C3 ,
Cr2O3
AISLAMIENTO TÉRMICO
Los recubrimientos para barreras térmicas están hechos usualmente de zirconia de baja conductividad térmica y/o óxidos de aluminio, los cuales se depositan para reducir la conducción de calor hacia el sustrato. Los procesos por proyección térmica 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 térmico. El material más comúnmente usado para este fin es la zirconia parcialmente estabilizada.
Barrera termica
•Más utilizado en componentes que sufren
corrosión/erosión.
•Mayor resistencia mecánica.
•Más nobles que el substrato.
•Protección en función 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
•Disminución del flujo de
refrigeración
•Disminución de costos
Beneficios de las barreras térmicas
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN
La protección anticorrosiva es usualmente obtenida con materiales más nobles que el sustrato, cerámicos químicamente inertes o con polímeros, todos los cuales pueden ser proyectados térmicamente sobre partes expuestas en servicio a la corrosión atmosférica, ambiental, ácida o caústica.
Aplicaciones en la protección catódica
• COMPONENTES: Estructuras de acero en hormigón armado
en puentes, faros, etc.
•PROTECCIÓN: Zn depositado mediante AS.
•COMPONENTES: Aleaciones de Aluminio de estructuras
portátiles.
•PROTECCIÓN: Proyección de un recubrimiento
Al/Zn o Al/Zn/Sn
OBRA
CIVIL
Reparación de componentes
•COMPONENTES: Estructuras de hormigón armado.
•PROBLEMA: Carbonatación y ataque por Cloruros
•PROTECCIÓN: Zn mediante AS/FS
•COMPONENTES: Compuertas y diversas estructuras de
acero en presas
•PROBLEMA: Corrosión y desgaste
•PROTECCIÓN: Zn, ZnAl
RECUBRIMIENTOS PARA LA RESTAURACIÓN DIMENSIONAL. El hierro y el acero son los materiales típicamente empleados para
realizar dichas restauraciones. Mediante el uso de técnicas de
proyección térmica por arco eléctrico se pueden obtener
recubrimientos de varios milímetros de espesor.
RECUBRIMIENTOS POLIMÉRICOSMuchos polímeros pueden ser proyectados térmicamente para ser
usados como protección contra
el ataque químico, la corrosión o la abrasión. A diferencia de los
recubrimientos por proyección térmica inorgánicos, muchos
recubrimientos por proyección térmica poliméricos exhiben
propiedades iguales o mejores que sus contrapartes hechas por
moldeo o por fundición.
Los polímeros con una baja temperatura de transición vítrea (Tg ) tales
como el cloruro de polivinilo o PVC y el nylon, son los que ofrecen
mayor facilidad para ser empleados como recubrimientos por
proyección térmica.Recubrimientos de materiales poliméricos
Mejora de las
técnicas de
proyección
Mejora de las
propiedades de los
recubrimientos
poliméricos
Aplicaciones
•Protección contra desgaste y abrasión (PE/Alúmina)
•Resistencia al rayado y choques mecánicos (Nylon/Sílice)
•Aislamiento eléctrico (PEEK)
•Bajo coeficiente de fricción (ETFE)
•Resistencia química (ETFE)
•Protección contra corrosión (PPS)
•Protección contra deslizamiento (PP + PE / Alúmina)
Aplicación de Polímeros en la protección contra la corrosion
•COMPONENTES: Señales de Tráfico, decoración.
•SOLUCIÓN: Tf +FS-Poliamida, poliuretano, polietileno,
polivinilo...
Tf + PPS, PEEK mediante PS, FS y HVOF.
•VENTAJAS: Espesor y área recubierta, ausencia de
disolventes... oPE: Polietileno
oPPEK: Polietercetona
oETFE: EtilinoTetroFloruroEtileno
oPPS: polisulfuro de fenileno,
oPP: polipropileno
Un amplio rango de materiales que pueden ser depositados como
recubrimiento.
Degradación térmica mínima del substrato.
Amplio rango de grosor de recubrimiento.
Costos de los equipos y su portabilidad.
Bajos costos de procesamiento.
Amplio rango de aplicación.
Resistencia al desgaste.
Recubrimientos multicapas para barrera térmica (TBCs)
comprendido de capas metálicas unidas y de capas superiores de
cerámicos provenientes de óxidos.
Recubrimientos con finalidad desgastable y abrasivos para
turbinas.
Control de corrosión atmosférica y acuosa.
Resistencia a la oxidación a altas temperaturas y control de
corrosión.
Resistencia eléctrica y conductividad.
Estructuras metálicas y de matriz cerámica.
Manufactura o restauración de componentes cercanos a la forma
original
VENTAJAS
DESVENTAJAS
Bajo esfuerzo de adhesión.
Porosidad
Propiedades anisotrópicas
Baja capacidad de carga
Proceso no omnidireccional (Restringido a actuar
exclusivamente sobre el área de impacto del
chorro).