El conformado por pulverización , también conocido como fundición por pulverización , deposición por pulverización [1] y compactación in situ [2] , es un método de fundición de componentes metálicos con una forma casi neta y microestructuras homogéneas mediante la deposición de gotitas pulverizadas semisólidas sobre un sustrato moldeado. En el conformado por pulverización , se funde una aleación , normalmente en un horno de inducción , y luego el metal fundido se vierte lentamente a través de una artesa cónica en una boquilla de cerámica de pequeño diámetro . El metal fundido sale del horno como una fina corriente de caída libre y se divide en gotitas mediante una matriz anular de chorros de gas, y estas gotitas luego avanzan hacia abajo, aceleradas por los chorros de gas para impactar sobre un sustrato. El proceso está organizado de tal manera que las gotitas golpean el sustrato mientras están en estado semisólido, esto proporciona una fracción líquida suficiente para "pegar" la fracción sólida. La deposición continúa, acumulando gradualmente un tocho de metal formado por pulverización sobre el sustrato.
El proceso de conformado por pulverización atomizada con gas ( GASF ) normalmente tiene una velocidad de flujo de aleación fundida de 1 a 20 kg/min, aunque los sistemas de atomizador doble pueden alcanzar velocidades de flujo de metal de hasta 80 kg/min. Se han producido palanquillas de acero especiales de 1 tonelada o más mediante conformado por pulverización de forma comercial, junto con piezas en bruto de anillos de superaleación de Ni de hasta 500 kg y palanquillas de extrusión de aleación de Al de hasta 400 kg.
El profesor Singer de la Universidad de Swansea desarrolló por primera vez la idea del conformado por pulverización atomizada con gas en la década de 1970, en la que un chorro de gas a alta presión incide sobre una corriente de material fundido estable para provocar la atomización . Las gotitas resultantes se recogen luego en un objetivo, que se puede manipular dentro del rociado y utilizar para formar un tocho casi denso de forma casi neta. El conformado por pulverización ha encontrado aplicaciones en industrias especializadas como: revestimiento de acero inoxidable de tubos de incineradores ; discos y anillos de superaleaciones de níquel para motores aeroespaciales ; objetivos de pulverización catódica de aluminio - titanio , aluminio -neodimio y aluminio- plata ; aleaciones de aluminio- silicio para camisas de cilindros ; y aceros de alta velocidad . La historia del conformado por pulverización es un ejemplo de cómo las contribuciones creativas de muchos investigadores fueron necesarias a lo largo de varios años para producir la innovación de un proceso industrial ahora ampliamente utilizado.
El conformado por rociado ofrece ciertas ventajas sobre la metalurgia de lingotes convencional y técnicas más especializadas como la pulvimetalurgia . En primer lugar, es un proceso flexible y se puede utilizar para fabricar una amplia gama de materiales, algunos de los cuales son difíciles de producir por otros métodos, por ejemplo, aleaciones de Al-5% en peso de Li o compuestos de matriz metálica (MMC ) de Al-SiC, Al-Al2O3 . La atomización de la corriente de fusión en gotas de 10-500 μm de diámetro, algunas de las cuales, dependiendo del diámetro, se enfrían rápidamente al estado sólido y semisólido, proporcionan una gran cantidad de nucleantes para la fracción líquida residual del material formado por rociado en la superficie superior del tocho. La combinación de un enfriamiento rápido en el rociado y la generación de una gran población de nucleantes sólidos en el rociado impactante conduce a una microestructura equiaxial fina, típicamente en el rango de 10-100 μm, con niveles bajos y escalas de longitud cortas de partición interna de solutos. Estos aspectos microestructurales ofrecen ventajas en la resistencia del material debido al tamaño fino del grano, la distribución refinada de las fases de dispersoides y/o precipitados secundarios , así como la tolerancia a los elementos "tramp" de impurezas. Esta estructura fina en la condición "tal como se rocía" significa que a menudo se pueden evitar los tratamientos térmicos de homogeneización . Debido a la compleja ruta de solidificación (es decir, la rápida transición de la masa fundida sobrecalentada a una gota sólida, líquida o semisólida hasta el equilibrio de temperatura en la parte superior del tocho semisólido y el enfriamiento lento final hasta el estado completamente sólido) del material formado por rociado, también se ha informado de una solubilidad extendida de los elementos de aleación y la formación de fases metaestables y cuasicristalinas.
Uno de los principales atractivos del conformado por aspersión es el beneficio económico potencial que se puede obtener al reducir el número de pasos del proceso entre la fusión y el producto terminado. El conformado por aspersión se puede utilizar para producir tiras, tubos, anillos, barras/rollos revestidos y productos de materia prima para extrusión cilíndrica, en cada caso con una microestructura de escala relativamente fina incluso en secciones transversales grandes. Los beneficios del GASF sobre la pulvimetalurgia se derivan del menor número de pasos del proceso, en los que se pueden eliminar los pasos de tamizado, prensado, desgasificación y manipulación del polvo y los problemas de seguridad y contaminación que conlleva.
El proceso de formación por pulverización con atomización de gas tiene dos desventajas principales. La desventaja más significativa es el rendimiento relativamente bajo del proceso, con pérdidas típicas de alrededor del 30 %. Las pérdidas se producen debido a la pulverización excesiva (gotas que no llegan a la palanquilla emergente), las salpicaduras de material de la superficie de la palanquilla y el "rebote" del material en la superficie superior semisólida. Muchos operadores del proceso de formación por pulverización utilizan ahora un sistema de inyección de partículas para reinyectar el polvo de la pulverización excesiva y, de este modo, reciclar material que de otro modo se perdería, o vender el polvo de la pulverización excesiva como un producto por derecho propio. La segunda desventaja principal es el control del proceso. Como se trata esencialmente de un proceso de formación libre con muchas variables interdependientes, ha resultado difícil predecir la forma, la porosidad o la tasa de deposición de una aleación determinada. Gran parte del control se basa en la experiencia del operador y en relaciones empíricas. En parte, la complejidad del proceso y la falta de un control sólido del proceso han impedido la comercialización generalizada de este proceso. Algunos desarrollos que utilizan control de retroalimentación han demostrado ser exitosos a la hora de mejorar las variaciones en el diámetro de las palanquillas y mejorar el rendimiento en sistemas específicos, pero aún no se han implementado de forma generalizada.
La porosidad resultante del atrapamiento de gas y la contracción de solidificación es un problema significativo en los materiales formados por aspersión. Un tocho formado por aspersión típico contendrá 1-2% de porosidad con un tamaño de poro que depende del rango de congelación de la aleación y de varios parámetros del proceso. El prensado isostático en caliente (HIP) o el procesamiento termomecánico pueden curar estos poros si son pequeños (menos de 30 μm). A pesar de estas desventajas, el formado por aspersión sigue siendo un proceso económico para la producción de aleaciones de nicho difíciles de fabricar. La porosidad a gran escala es más difícil de curar de manera efectiva y debe minimizarse mediante un control cuidadoso del proceso. En algunos casos, la porosidad se controla mediante adiciones de aleación que reaccionan con el gas disuelto y atrapado para formar una fase sólida, por ejemplo, titanio agregado a tochos de cobre para formar nitruro de titanio con gas nitrógeno disuelto y atrapado . La porosidad, incluso después de la consolidación, puede limitar las aplicaciones del material formado por aspersión, por ejemplo, los componentes de la turbina de gas rotatoria deben tener porosidad cero debido al efecto perjudicial sobre la fatiga de alto ciclo (HCF).
A pesar de los problemas asociados con el proceso de conformado por aspersión, ha habido un interés industrial sostenido en el conformado por aspersión durante los últimos 35 años. Sandvik-Osprey (antes Osprey Metals Ltd) de Neath, Gales del Sur, posee las patentes del proceso y ha otorgado licencias de la tecnología a una variedad de industrias. Actualmente hay aproximadamente 25 licenciatarios que operan en todo el mundo, que van desde pequeñas plantas de investigación y desarrollo hasta operaciones comerciales a gran escala. Las principales aplicaciones son prematerial para superconductores de Nb3Sn de baja temperatura ( CuSn), equipo de perforación petrolera (material de alta resistencia CuMnNi) y para herramientas de conformado (CuAlFe con alto contenido de Al). En todas estas aplicaciones, la investigación se centra en la conciliación de las desventajas de costo y la complejidad del conformado por aspersión con la demanda de aleaciones de alto rendimiento en aplicaciones de nicho.
Los primeros trabajos de formación por pulverización se basaban en un horno de mantenimiento eléctrico calentado por resistencia. A continuación, la masa fundida pasaba por una boquilla de Al2O3 de 3 mm de diámetro . Sin embargo , el bajo caudal hacía necesario un sobrecalentamiento elevado para evitar la solidificación en la boquilla. Los procedimientos de fusión de la siguiente generación en aplicaciones de formación por pulverización fueron las unidades de inducción de vertido inferior, que ofrecen muchos beneficios. En este sistema, el crisol de fusión está directamente encima del cabezal del atomizador con una boquilla de cerámica que alimenta directamente desde el horno al atomizador. Una varilla de tope recorre la masa fundida hasta la parte superior de la boquilla de vertido; la varilla se retira cuando la masa fundida alcanza la temperatura designada para la pulverización, normalmente de 50 a 150 °C (122 a 302 °F) por encima del líquido de la aleación . Alternativamente, se utiliza un tapón de aleación preparado previamente para bloquear la boquilla y, a un sobrecalentamiento específico , este tapón se funde, lo que permite que el contenido del horno se drene a través de la boquilla. Otro problema asociado con los hornos de vertido inferior es el cambio en el caudal asociado con la cabeza metalostática reductora en el crisol. En algunos casos, la introducción de una sobrepresión de gas inerte durante el vertido puede compensar este efecto.
Un método alternativo es el horno de vertido basculante, en el que se inclina un horno de inducción para verter la masa fundida en una artesa cónica que, a su vez, lleva el metal fundido a la boquilla de suministro de masa fundida. El sistema de vertido basculante ofrece la ventaja de que la fusión se desacopla del procedimiento de pulverización, de modo que los problemas de fusión y las soluciones correctivas no afectan ni alteran la configuración crítica de la boquilla de suministro de masa fundida.
En la disposición de fusión más compleja, utilizada únicamente para la producción de piezas brutas de forja de turbinas de superaleación de níquel mediante conformado por pulverización, GE ha combinado la fusión por inducción al vacío , la refundición por electroescoria y los crisoles de solera fría para controlar los niveles de impurezas de la aleación y la presencia de inclusiones refractarias en el suministro de metal fundido. El conformado por pulverización de metal limpio ( CMSF ) combina el proceso de refinado por electroescoria, la guía de inducción de pared fría y el conformado por pulverización atomizada con gas. Este enfoque ha llevado a una reducción en el número de defectos relacionados con la masa fundida (poros, inclusiones, etc.), un tamaño de grano promedio más fino, la capacidad de producir lingotes más grandes y la capacidad de procesar una gama más amplia de aleaciones.
Existen muchas técnicas diferentes para la atomización de metales fundidos, muchas de las cuales se derivan de la industria de la pulvimetalurgia y se han analizado en profundidad en otros lugares. Existen dos técnicas principales de atomización que se utilizan en el conformado por pulverización: la atomización centrífuga para la fabricación de anillos con forma casi neta y la atomización con gas para la fabricación de palanquillas, tubos y flejes.
La atomización centrífuga implica verter metal fundido a velocidades de flujo relativamente bajas (0,1– 2 kg/min) sobre una placa, plato o disco giratorio, donde la velocidad de rotación es suficiente para crear altas fuerzas centrífugas en la periferia y superar la tensión superficial y las fuerzas viscosas , de modo que la masa fundida se fragmenta en gotitas. Los diámetros de las gotitas producidas por atomización centrífuga dependen principalmente de la velocidad de rotación (hasta 20 000 rpm) y suelen estar en el rango de 20–1000 μm con velocidades de enfriamiento del orden de 104 Ks −1 . La atomización centrífuga se lleva a cabo generalmente bajo una atmósfera inerte de Ar o N 2 para evitar la oxidación de las gotitas finas o puede funcionar al vacío .
La corriente de material fundido sale de la boquilla de suministro de material fundido hacia la cámara de pulverización. La corriente de material fundido está protegida de la desestabilización por el entorno de gas turbulento en la cámara de pulverización mediante chorros de gas primarios que funcionan a una presión de gas inerte intermedia de 2 a 4 bar; el flujo de gas resultante es paralelo a la corriente de material fundido para estabilizarla. El atomizador secundario utiliza chorros de gas de alta velocidad (250 a 350 ms −1 ) y alta presión (6 a 10 bar) para incidir en la corriente de material fundido para lograr la atomización. Los chorros del atomizador suelen estar dispuestos como un anillo o como chorros discretos ubicados simétricamente alrededor de la boquilla de suministro de material fundido o, con menos frecuencia, dispuestos como una boquilla lineal para la producción de productos en forma de tira. Los diámetros de gota típicos siguen una distribución logarítmica normal con diámetros de polvo de hasta ~600 μm con un diámetro medio de masa de ~150 μm.
La relación entre el caudal másico del gas atomizador y el caudal másico del metal fundido es un parámetro clave para controlar el diámetro de las gotas y, por lo tanto, la velocidad de enfriamiento, la temperatura del tocho y la densidad resultante del nucleante de partículas sólidas. La relación gas-metal (GMR) suele estar en el rango de 1,5 a 5,5, y el rendimiento disminuye y las velocidades de enfriamiento en la pulverización aumentan con el aumento de la GMR. Normalmente, con una GMR baja (1,5), el rendimiento es del 75 %; si la GMR se aumenta a 5,0 con todos los demás parámetros constantes, el rendimiento del proceso se reduce al 60 %.
Se han desarrollado atomizadores de barrido que permiten la producción de tochos de hasta 600 mm de diámetro, aproximadamente el doble del diámetro posible con un atomizador estático. El cabezal del atomizador oscila mecánicamente de 5 a 10° a una frecuencia típica de 25 Hz, para desviar el flujo de masa fundida creando una trayectoria de pulverización que está sincronizada con la velocidad de rotación de la placa colectora para depositar un tocho de lados paralelos. Mediante el uso de accionamientos de atomizador oscilantes programables fue posible mejorar la forma y la reproducibilidad de la forma de los depósitos formados por pulverización. Se ha demostrado que se podían pulverizar tochos de lados paralelos con la parte superior plana de manera reproducible si la rotación del sustrato y la frecuencia de oscilación del atomizador se sincronizaban y optimizaban para aleaciones específicas y tasas de flujo de masa fundida. Los sistemas de atomizador doble combinan un atomizador estático y de barrido, lo que hace posible pulverizar tochos de hasta 450 mm de diámetro con beneficios económicos.
El gas atomizador utilizado en el conformado por aspersión es generalmente N2 y puede ser protector o reactivo dependiendo del sistema de aleación, o Ar que generalmente es completamente inerte pero más caro que el N2 . Los gases reactivos se pueden introducir en pequeñas cantidades al gas atomizador para crear aleaciones reforzadas por dispersión, p. ej. 0,5–10% O2 en N2 usado para generar aleaciones de Al reforzadas por dispersión de óxido (ODS). Las comparaciones del conformado por aspersión basado en N2 y Ar mostraron que con todos los demás factores permaneciendo constantes, la temperatura superior del tocho fue menor con N2 que con Ar, debido a las diferencias en la difusividad térmica de los dos gases atomizadores: Ar tiene una conductividad térmica de 0,0179 W/mK que es aproximadamente un tercio menos que N2 con una conductividad térmica de 0,026 W/mK.
Los mecanismos de atomización y de ruptura de la masa fundida han sido ampliamente investigados, y se ha demostrado que la atomización consta típicamente de tres pasos: (1) ruptura primaria de la corriente de masa fundida; (2) las gotas fundidas y los ligamentos sufren una desintegración secundaria; (3) las partículas se enfrían y solidifican. El análisis teórico del proceso de atomización para predecir el tamaño de las gotas ha producido modelos que solo coinciden moderadamente con los datos experimentales.
Las investigaciones muestran que, en todos los casos, la atomización de gas de metal fundido produce una amplia gama de diámetros de gota, típicamente en el rango de 10-600 μm de diámetro, con un diámetro medio de ~100 μm. El diámetro de la gota rige el comportamiento dinámico de la gota en vuelo, lo que a su vez determina el tiempo disponible para el enfriamiento en vuelo, que es crítico para controlar la microestructura del tocho resultante. A una distancia de vuelo de 300-400 mm, las predicciones muestran velocidades de gota de 40-90 ms −1 para diámetros de gota en el rango de 20-150 μm respectivamente, en comparación con las velocidades medidas de ~100 ms −1 , y a distancias de hasta 180 mm del atomizador, las gotas todavía estaban siendo aceleradas por el gas. Las gotas se enfrían en vuelo principalmente por convección y radiación, y pueden experimentar un subenfriamiento de hasta 300 °C (572 °F) antes de la nucleación. Los modelos y las mediciones experimentales muestran que las gotas pequeñas (<50 μm) se vuelven completamente sólidas muy rápidamente antes de la deposición, las gotas de 50-200 μm serán típicamente semisólidas y las gotas de diámetros >200 μm serán líquidas en el momento de la deposición. El rango de historias dinámicas y térmicas de las gotas da como resultado una superficie superior del tocho de 0,3 a 0,6 fracción sólida. No todo el material que impacta la superficie se incorpora al tocho: algunas gotas sólidas rebotarán o salpicarán la superficie superior del tocho o serán dirigidas fuera de la región de deposición por el movimiento turbulento del gas en la cámara. La proporción de gotas que impactan la superficie en comparación con la proporción que se incorporan al tocho se ha denominado eficiencia de adherencia : depende de la adherencia geométrica, que es una función del ángulo de pulverización en relación con el sustrato, y de la eficiencia de adherencia térmica, que depende de la fracción sólido/líquido de la pulverización y del tocho.
Durante la pulverización, es esencial mantener una temperatura constante en la superficie superior y, por lo tanto, mantener condiciones de estado estable si se va a producir un tocho con una microestructura consistente. En la superficie del tocho, durante la pulverización, se debe mantener un equilibrio de entalpía donde la tasa de entalpía perdida (H out ) del tocho por conducción al gas atomizador y a través del sustrato, la convección y la radiación deben equilibrarse con la tasa de entrada de entalpía (H in ) de las gotas en la pulverización. Hay una variedad de factores que se pueden ajustar para mantener estas condiciones: altura de pulverización, presión del gas atomizador, tasa de flujo de fusión, sobrecalentamiento de la fusión y configuración del atomizador, siendo estos parámetros los que se ajustan más fácilmente. Por lo general, se pueden utilizar equipos como cámaras de circuito cerrado y pirometría óptica para monitorear el tamaño/posición del tocho y la temperatura de la superficie superior. Si H out es mucho mayor que H in , se mantiene una temperatura constante en la superficie superior del tocho. La superficie superior debe estar en una condición blanda para promover la adherencia de las gotas entrantes y la fusión parcial de las partículas sólidas. La necesaria refundición parcial de las gotitas sólidas explica la ausencia de restos dendríticos de las gotitas presolidificadas en la microestructura final. Si Hin es insuficiente para provocar una refundición significativa, se formará una microestructura de "salpicaduras" de gotitas en capas, típica de los procesos de pulverización térmica, como la pulverización de plasma al vacío (VPS), la pulverización con arco y el oxicombustible a alta velocidad. Se han elaborado mapas de procesamiento para la pulverización de plasma y el conformado por pulverización utilizando un equilibrio térmico en estado estacionario en términos del tiempo entre capas (tiempo entre eventos de deposición) frente a la tasa de deposición media por unidad de superficie. Estos mapas muestran los límites entre la microestructura bandeada no fusionada y una estructura homogénea equiaxial.
La fase final de solidificación ocurre una vez que las gotas han impactado la superficie blanda del tocho y se ha producido el equilibrio térmico entre las gotas y el tocho. En esta etapa, el líquido residual está presente como una red continua que delimita los límites de grano poligonales, con una fracción de líquido típica de 0,3 a 0,5. Las velocidades de enfriamiento durante la solidificación del tocho son varios órdenes de magnitud más lentas que la velocidad de enfriamiento en la pulverización, de 1 a 20 Ks −1 .
Aunque uno de los beneficios del conformado por aspersión es supuestamente la capacidad de producir material a granel con microsegregación a escala fina y poco o ningún trabajo de macrosegregación en aleaciones de Al-Mg-Li-Cu mostró que, como consecuencia del líquido interconectado en el tocho, hubo una macrosegregación significativa en grandes tochos de Al forjado formados por aspersión. La distribución de Cu, Mg y Li en, por ejemplo, la aleación de Al 8091 mostró una macrosegregación sorprendentemente pronunciada con la variación de Cu (% en peso) en un tocho 8091 formado por aspersión, que va desde aproximadamente 1,4 en el centro del tocho hasta 1,92 en la periferia del tocho. Estos patrones de macrosegregación se explicaron en términos de segregación inversa en la que el líquido rico en soluto del centro del tocho es succionado de regreso a través de la red primaria rica en Al para alimentar la contracción de solidificación en la periferia del tocho. Se sugirió que este efecto se ve exacerbado por los efectos centrífugos de la rotación del tocho.
La porosidad del tocho en el momento de la pulverización suele ser del 1 al 2 %, con una región de mayor porosidad en la zona de enfriamiento por salpicadura adyacente al sustrato. La parte superior del tocho suele mostrar una mayor porosidad porque la parte superior se enfría rápidamente por el gas atomizador que continúa enfriando el tocho durante 10 a 60 segundos después de la pulverización. También ha habido poco progreso en la comprensión y cuantificación de la física subyacente que controla la porosidad en el momento de la pulverización.
En la mayoría de los casos, la porosidad más alta en la base y la parte superior del tocho se elimina y se recicla. A veces se utiliza la inspección ultrasónica para determinar la profundidad de las regiones de la zona de enfriamiento para evitar desperdicios innecesarios. Dependiendo del sistema de aleación y la aplicación final, el material a granel restante generalmente se procesa para cerrar la porosidad y se somete a una variedad de tratamientos termomecánicos. Los materiales formados por pulverización rara vez se utilizan en el estado en que se pulverizan y a menudo se tratan mediante HIP para eliminar la porosidad. En algunos casos, el gas atomizador residual en los poros puede reaccionar con elementos de aleación para formar fases supuestamente beneficiosas, por ejemplo, el N2 que reacciona con el titanio en la superaleación de níquel Rene 80 para formar una dispersión de TiN.
El texto anterior está extraído en gran parte de 'Spray forming of Si-Al Alloys for thermal management applications' (Formación por pulverización de aleaciones de Si-Al para aplicaciones de gestión térmica), del Dr. Al Lambourne, tesis de doctorado, 2007, Queens College. Este documento se encuentra en la biblioteca de la Universidad de Oxford y está disponible como recurso en línea a través de Oxford Research Archives (ORA). Para acceder a esta tesis, siga los pasos que se indican a continuación: [1].