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 fuertementeLa 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 10cm

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 frettingProtección 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 localizadosFabricación 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