Las técnicas de pulverización térmica son procesos de recubrimiento en los que se pulverizan materiales fundidos (o calentados) sobre una superficie. La "materia prima" (precursor del recubrimiento) se calienta por medios eléctricos (plasma o arco) o químicos (llama de combustión).
La pulverización térmica puede proporcionar recubrimientos gruesos (el rango de espesor aproximado es de 20 micrones a varios mm, según el proceso y la materia prima), [2] sobre un área grande con una alta tasa de deposición en comparación con otros procesos de recubrimiento como galvanoplastia , físicos y químicos. deposición de vapor . Los materiales de revestimiento disponibles para pulverización térmica incluyen metales, aleaciones, cerámicas, plásticos y compuestos. Se alimentan en forma de polvo o alambre, se calientan hasta un estado fundido o semifundido y se aceleran hacia los sustratos en forma de partículas de tamaño micrométrico. Como fuente de energía para la pulverización térmica se suele utilizar la combustión o la descarga de arco eléctrico. Los recubrimientos resultantes se forman mediante la acumulación de numerosas partículas pulverizadas. Es posible que la superficie no se caliente significativamente, lo que permitirá que se recubran sustancias inflamables.
La calidad del recubrimiento generalmente se evalúa midiendo su porosidad , contenido de óxido , macro y microdureza , fuerza de unión y rugosidad de la superficie . Generalmente, la calidad del recubrimiento aumenta al aumentar la velocidad de las partículas. [3]
Se distinguen varias variaciones de pulverización térmica:
En los procesos clásicos (desarrollados entre 1910 y 1920), pero todavía ampliamente utilizados, como la pulverización con llama y la pulverización con arco de alambre, las velocidades de las partículas son generalmente bajas (< 150 m/s) y las materias primas deben estar fundidas para ser depositadas. La pulverización por plasma, desarrollada en la década de 1970, utiliza un chorro de plasma de alta temperatura generado por descarga de arco con temperaturas típicas >15.000 K, lo que permite pulverizar materiales refractarios como óxidos, molibdeno , etc. [1]
Un sistema de pulverización térmica típico consta de lo siguiente:
La pistola de detonación consta de un cañón largo refrigerado por agua con válvulas de entrada para gases y pólvora. Se introducen oxígeno y combustible (el más común acetileno) en el cañón junto con una carga de pólvora. Se utiliza una chispa para encender la mezcla de gases y la detonación resultante calienta y acelera la pólvora a una velocidad supersónica a través del cañón. Se utiliza un pulso de nitrógeno para purgar el cañón después de cada detonación. Este proceso se repite muchas veces por segundo. La alta energía cinética de las partículas de polvo calientes al impactar con el sustrato da como resultado la acumulación de un recubrimiento muy denso y resistente. El recubrimiento se adhiere a través de una unión mecánica resultante de la deformación del sustrato base que envuelve las partículas rociadas después del impacto a alta velocidad.
En el proceso de pulverización por plasma , el material a depositar (materia prima), normalmente como polvo , a veces como líquido , [4] suspensión [5] o alambre, se introduce en el chorro de plasma que emana de una antorcha de plasma . En el chorro, donde la temperatura es del orden de 10.000 K, el material se funde y se impulsa hacia un sustrato. Allí las gotas fundidas se aplanan, se solidifican rápidamente y forman un depósito. Comúnmente, los depósitos permanecen adheridos al sustrato a modo de recubrimientos; También se pueden producir piezas independientes quitando el sustrato. Hay una gran cantidad de parámetros tecnológicos que influyen en la interacción de las partículas con el chorro de plasma y el sustrato y, por tanto, en las propiedades del depósito. Estos parámetros incluyen el tipo de materia prima, la composición del gas plasma y el caudal, la entrada de energía, la distancia de desplazamiento de la antorcha, el enfriamiento del sustrato, etc.
Los depósitos consisten en una multitud de 'salpicaduras' en forma de panqueques llamadas láminas , formadas por el aplanamiento de las gotas de líquido. Como los polvos de materia prima normalmente tienen tamaños desde micrómetros hasta más de 100 micrómetros, las laminillas tienen un espesor en el rango de micrómetros y una dimensión lateral de varios a cientos de micrómetros. Entre estas laminillas existen pequeños huecos, como poros, grietas y regiones de unión incompleta. Como resultado de esta estructura única, los depósitos pueden tener propiedades significativamente diferentes de los materiales a granel. Generalmente se trata de propiedades mecánicas, como menor resistencia y módulo , mayor tolerancia a la deformación y menor conductividad térmica y eléctrica . Además, debido a la rápida solidificación , pueden estar presentes fases metaestables en los depósitos.
Esta técnica se utiliza principalmente para producir revestimientos sobre materiales estructurales. Dichos revestimientos proporcionan protección contra altas temperaturas (por ejemplo, revestimientos de barrera térmica para la gestión del calor de escape ), corrosión , erosión y desgaste ; también pueden cambiar la apariencia, las propiedades eléctricas o tribológicas de la superficie, reemplazar el material desgastado, etc. Cuando se pulverizan sobre sustratos de diversas formas y se retiran, se pueden producir piezas independientes en forma de placas, tubos, carcasas, etc. . También se puede utilizar para el procesamiento de polvos (esferoidización, homogeneización, modificación química, etc.). En este caso, el sustrato para la deposición está ausente y las partículas se solidifican durante el vuelo o en un ambiente controlado (por ejemplo, agua). Esta técnica, con variaciones, también se puede utilizar para crear estructuras porosas, adecuadas para el crecimiento óseo hacia el interior, como revestimiento para implantes médicos. Se puede inyectar un aerosol de dispersión de polímero en la descarga de plasma para crear un injerto de este polímero sobre una superficie de sustrato. [5] Esta aplicación se utiliza principalmente para modificar la química superficial de los polímeros.
Los sistemas de pulverización de plasma se pueden clasificar según varios criterios.
Generación de chorro de plasma:
Medio formador de plasma:
Ambiente de pulverización:
Otra variación consiste en tener una materia prima líquida en lugar de un polvo sólido para fundir, esta técnica se conoce como pulverización de plasma precursor de solución.
La pulverización por plasma al vacío (VPS) es una tecnología para el grabado y la modificación de superficies para crear capas porosas con alta reproducibilidad y para la limpieza y la ingeniería de superficies de plásticos, cauchos y fibras naturales, así como para reemplazar los CFC en la limpieza de componentes metálicos. Esta ingeniería de superficies puede mejorar propiedades como el comportamiento de fricción, la resistencia al calor , la conductividad eléctrica de la superficie , la lubricidad , la fuerza cohesiva de las películas o la constante dieléctrica , o puede hacer que los materiales sean hidrófilos o hidrófobos .
El proceso normalmente funciona entre 39 y 120 °C para evitar daños térmicos. Puede inducir reacciones superficiales no activadas térmicamente, provocando cambios en la superficie que no pueden ocurrir con la química molecular a presión atmosférica. El procesamiento del plasma se realiza en un ambiente controlado dentro de una cámara sellada a un vacío medio, alrededor de 13 a 65 Pa . El gas o la mezcla de gases se energiza mediante un campo eléctrico de CC a frecuencias de microondas , normalmente de 1 a 500 W a 50 V. Los componentes tratados suelen estar eléctricamente aislados. Los subproductos volátiles del plasma son evacuados de la cámara mediante la bomba de vacío y, si es necesario, pueden neutralizarse en un lavador de gases de escape .
A diferencia de la química molecular, los plasmas emplean:
El plasma también genera radiación electromagnética en forma de fotones UV de vacío para penetrar los polímeros en masa hasta una profundidad de aproximadamente 10 μm. Esto puede provocar roturas de cadenas y entrecruzamientos.
Los plasmas afectan los materiales a nivel atómico. Para el análisis de superficies se utilizan técnicas como la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X y la microscopía electrónica de barrido para identificar los procesos necesarios y juzgar sus efectos. Como una simple indicación de la energía superficial y, por tanto, de la adhesión o humectabilidad, a menudo se utiliza una prueba del ángulo de contacto de una gota de agua . Cuanto menor es el ángulo de contacto, mayor es la energía superficial y más hidrófilo es el material.
A energías más altas, la ionización tiende a ocurrir más que las disociaciones químicas . En un gas reactivo típico, 1 de cada 100 moléculas forma radicales libres , mientras que sólo 1 de cada 10 6 se ioniza. El efecto predominante aquí es la formación de radicales libres.Los efectos iónicos pueden predominar con la selección de los parámetros del proceso y, si es necesario, el uso de gases nobles.
La pulverización por arco con alambre es una forma de pulverización térmica en la que dos alambres metálicos consumibles se introducen de forma independiente en la pistola pulverizadora. Luego, estos cables se cargan y se genera un arco entre ellos. El calor de este arco derrite el cable entrante, que luego es arrastrado por un chorro de aire desde la pistola. Esta materia prima fundida arrastrada luego se deposita sobre un sustrato con la ayuda de aire comprimido. Este proceso se usa comúnmente para recubrimientos metálicos pesados. [1]
El arco de alambre transferido por plasma (PTWA) es otra forma de pulverización de arco de alambre que deposita un recubrimiento en la superficie interna de un cilindro o en la superficie externa de una parte de cualquier geometría. Es predominantemente conocido por su uso en el revestimiento de los orificios de los cilindros de un motor, lo que permite el uso de bloques de motor de aluminio sin la necesidad de pesadas camisas de hierro fundido. Se utiliza un único cable conductor como "materia prima" para el sistema. Un chorro de plasma supersónico funde el cable, lo atomiza y lo impulsa sobre el sustrato. El chorro de plasma se forma mediante un arco transferido entre un cátodo no consumible y un tipo de cable. Después de la atomización, el aire forzado transporta la corriente de gotas fundidas hacia la pared del orificio. Las partículas se aplanan cuando inciden sobre la superficie del sustrato, debido a la alta energía cinética. Las partículas se solidifican rápidamente al contacto. Las partículas apiladas forman un revestimiento de alta resistencia al desgaste. El proceso de pulverización térmica PTWA utiliza un solo alambre como material de alimentación. Todos los cables conductores de hasta 0,0625" (1,6 mm) inclusive se pueden utilizar como material de alimentación, incluidos los cables "con núcleo". PTWA se puede utilizar para aplicar un recubrimiento a la superficie de desgaste de los componentes del motor o de la transmisión para reemplazar un casquillo o cojinete. Por ejemplo, el uso de PTWA para recubrir la superficie de apoyo de una biela ofrece una serie de beneficios que incluyen reducciones de peso, costo, potencial de fricción y tensión en la biela.
Durante la década de 1980, se desarrolló una clase de procesos de pulverización térmica llamados pulverización de oxicombustible de alta velocidad. Una mezcla de combustible gaseoso o líquido y oxígeno se introduce en una cámara de combustión , donde se encienden y queman continuamente. El gas caliente resultante a una presión cercana a 1 MPa emana a través de una boquilla convergente-divergente y viaja a través de una sección recta. Los combustibles pueden ser gases ( hidrógeno , metano , propano , propileno , acetileno , gas natural , etc.) o líquidos ( queroseno , etc.). La velocidad del chorro a la salida del cañón (>1000 m/s) supera la velocidad del sonido . Se inyecta una materia prima de polvo en la corriente de gas, que acelera el polvo hasta 800 m/s. La corriente de gas caliente y polvo se dirige hacia la superficie a recubrir. El polvo se funde parcialmente en la corriente y se deposita sobre el sustrato. El recubrimiento resultante tiene baja porosidad y alta fuerza de unión . [1]
Los recubrimientos HVOF pueden tener un espesor de hasta 12 mm (1/2"). Por lo general, se usan para depositar recubrimientos resistentes al desgaste y a la corrosión en materiales, como capas cerámicas y metálicas. Los polvos comunes incluyen WC -Co, carburo de cromo , MCrAlY y alúmina El proceso ha tenido más éxito para depositar materiales cermet (WC-Co, etc.) y otras aleaciones resistentes a la corrosión ( acero inoxidable , aleaciones a base de níquel, aluminio, hidroxiapatita para implantes médicos , etc.).
La tecnología de recubrimiento HVAF es la combustión de propano en una corriente de aire comprimido. Al igual que HVOF, esto produce un chorro uniforme de alta velocidad. HVAF se diferencia por incluir un deflector de calor para estabilizar aún más los mecanismos de pulverización térmica. El material se inyecta en la corriente de aire y combustible y las partículas de recubrimiento se impulsan hacia la pieza. [7] HVAF tiene una temperatura de llama máxima de 3560° a 3650 °F y una velocidad promedio de partículas de 3300 pies/seg. Dado que la temperatura máxima de la llama está relativamente cerca del punto de fusión de la mayoría de los materiales de pulverización, el HVAF da como resultado un recubrimiento más uniforme y dúctil. Esto también permite un espesor de recubrimiento típico de 0,002 a 0,050". Los recubrimientos HVAF también tienen una fuerza de unión mecánica superior a 12 000 psi. Los materiales de recubrimiento HVAF comunes incluyen, entre otros: carburo de tungsteno , carburo de cromo, acero inoxidable , hastelloy. e inconel . Debido a su naturaleza dúctil , los recubrimientos hvaf pueden ayudar a resistir el daño por cavitación . [8]
La pulverización y la fusión utilizan altas temperaturas para aumentar la unión entre el revestimiento de pulverización térmica y el sustrato de la pieza. A diferencia de otros tipos de pulverización térmica, la pulverización y la fusión crean una unión metalúrgica entre el revestimiento y la superficie. Esto significa que en lugar de depender de la fricción para la adhesión del recubrimiento, fusiona la superficie y el material de recubrimiento en un solo material. Rociar y fusionar se reduce a la diferencia entre adhesión y cohesión.
Este proceso generalmente implica rociar un material en polvo sobre el componente y luego continuar con un soplete de acetileno. El soplete funde el material de revestimiento y la capa superior del material componente; fusionándolos entre sí. Debido al alto calor del rociado y el fusible, puede ocurrir cierta distorsión por calor y se debe tener cuidado para determinar si un componente es un buen candidato. Estas altas temperaturas son similares a las utilizadas en la soldadura. Esta unión metalúrgica crea un recubrimiento extremadamente resistente al desgaste y la abrasión. Spray and Fuse ofrece los beneficios de la soldadura de cara dura con la facilidad del rociado térmico. [9]
La pulverización en frío (o pulverización en frío dinámica de gas) se introdujo en el mercado en la década de 1990. El método se desarrolló originalmente en la Unión Soviética: mientras experimentaban con la erosión del objetivo, que estaba expuesto a un flujo de polvo fino de alta velocidad en dos fases en un túnel de viento, los científicos observaron la rápida formación accidental de recubrimientos. [1]
En la pulverización en frío, las partículas son aceleradas a velocidades muy altas mediante el gas portador impulsado a través de una boquilla tipo De Laval convergente-divergente . Tras el impacto, las partículas sólidas con suficiente energía cinética se deforman plásticamente y se unen mecánicamente al sustrato para formar un recubrimiento. La velocidad crítica necesaria para formar la unión depende de las propiedades del material, el tamaño del polvo y la temperatura. Mediante pulverización en frío se pueden depositar metales , polímeros , cerámicas , materiales compuestos y polvos nanocristalinos . [10] Los metales blandos como Cu y Al son los más adecuados para la pulverización en frío, pero se ha informado sobre el recubrimiento de otros materiales (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC-Co, etc.) mediante pulverización en frío. [1]
La eficiencia de deposición suele ser baja para los polvos de aleación y la ventana de parámetros del proceso y tamaños de polvo adecuados es estrecha. Para acelerar los polvos a mayor velocidad, se utilizan polvos más finos (<20 micrómetros). Es posible acelerar las partículas de polvo a una velocidad mucho mayor utilizando un gas de procesamiento que tenga una alta velocidad del sonido (helio en lugar de nitrógeno). Sin embargo, el helio es costoso y su caudal, y por tanto su consumo, es mayor. Para mejorar la capacidad de aceleración, se calienta gas nitrógeno hasta unos 900 °C. Como resultado, aumentan la eficiencia de deposición y la resistencia a la tracción de los depósitos. [1]
La pulverización en caliente es una nueva modificación de la pulverización de oxicombustible a alta velocidad, en la que la temperatura del gas de combustión se reduce mezclando nitrógeno con el gas de combustión, acercando así el proceso a la pulverización en frío. El gas resultante contiene mucho vapor de agua, hidrocarburos sin reaccionar y oxígeno, por lo que es más sucio que la pulverización en frío. Sin embargo, la eficiencia del recubrimiento es mayor. Por otro lado, las temperaturas más bajas de la pulverización en caliente reducen la fusión y las reacciones químicas del polvo de alimentación, en comparación con HVOF. Estas ventajas son especialmente importantes para materiales de recubrimiento como Ti, plásticos y vidrios metálicos, que se oxidan o deterioran rápidamente a altas temperaturas. [1]
La pulverización térmica es un proceso en la línea de visión y el mecanismo de unión es principalmente mecánico. La aplicación por pulverización térmica no es compatible con el soporte si la zona sobre la que se aplica es compleja o bloqueada por otros cuerpos. [12]
La pulverización térmica no tiene por qué ser un proceso peligroso si el equipo se trata con cuidado y se siguen las prácticas de pulverización correctas. Como ocurre con cualquier proceso industrial, existen una serie de peligros que el operador debe conocer y contra los cuales se deben tomar precauciones específicas. Idealmente, el equipo debería operarse automáticamente en recintos especialmente diseñados para extraer humos, reducir los niveles de ruido y evitar la visualización directa del cabezal rociador. Estas técnicas también producirán revestimientos más consistentes. Hay ocasiones en las que el tipo de componentes a tratar, o sus bajos niveles de producción, requieren la operación manual del equipo. En estas condiciones, se experimentan una serie de peligros propios de la pulverización térmica, además de los que se encuentran comúnmente en las industrias de producción o procesamiento. [13] [14]
Los equipos de pulverización de metales utilizan gases comprimidos que generan ruido. Los niveles de sonido varían según el tipo de equipo de pulverización, el material que se pulveriza y los parámetros operativos. Los niveles típicos de presión sonora se miden a 1 metro detrás del arco. [15]
Los equipos de pulverización por combustión producen una llama intensa, que puede tener una temperatura máxima superior a 3.100 °C y es muy brillante. La pulverización por arco eléctrico produce luz ultravioleta que puede dañar los tejidos delicados del cuerpo. El plasma también genera bastante radiación ultravioleta, que quema fácilmente la piel expuesta y también puede causar "quemaduras repentinas" en los ojos. Las cabinas y recintos de pintura deben estar equipados con vidrio oscuro absorbente de rayos ultravioleta. Cuando esto no sea posible, los operadores y otras personas que se encuentren en las proximidades deben usar gafas protectoras que contengan vidrio verde BS grado 6. Se deben colocar pantallas opacas alrededor de las áreas de pulverización. La boquilla de una pistola de arco nunca debe mirarse directamente a menos que esté seguro de que no hay energía disponible para el equipo. [13]
La atomización de materiales fundidos produce una gran cantidad de polvo y humos formados por partículas muy finas (aprox. 80-95% de las partículas en número <100 nm). [16] Las instalaciones de extracción adecuadas son vitales no sólo para la seguridad personal, sino también para minimizar el atrapamiento de partículas recongeladas en los recubrimientos rociados. Se recomienda encarecidamente el uso de respiradores equipados con filtros adecuados cuando el equipo no pueda aislarse. [16] Ciertos materiales ofrecen peligros específicos conocidos: [13] . La toxicidad de los aerosoles de pulverización térmica depende del perfil metálico del spray térmico. [17]
Las pistolas pulverizadoras de combustión utilizan oxígeno y gases combustibles. Los gases combustibles son potencialmente explosivos. En particular, el acetileno sólo podrá utilizarse en condiciones autorizadas. El oxígeno, aunque no es explosivo, mantendrá la combustión y muchos materiales se encenderán espontáneamente si hay niveles excesivos de oxígeno. Se debe tener cuidado para evitar fugas y aislar los suministros de oxígeno y gas combustible cuando no estén en uso. [13]
Las pistolas de arco eléctrico funcionan con voltajes bajos (por debajo de 45 V CC), pero con corrientes relativamente altas. Se pueden llevar en la mano de forma segura. Los alimentadores están conectados a fuentes de 440 V CA y deben tratarse con precaución. [13]