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, dependiendo del proceso y la materia prima), sobre un área grande a una alta tasa de deposición en comparación con otros procesos de recubrimiento como la galvanoplastia , la deposición física y química en fase de vapor . Los materiales de recubrimiento disponibles para la pulverización térmica incluyen metales, aleaciones, cerámicas, plásticos y compuestos. Se alimentan en forma de polvo o alambre, se calientan a un estado fundido o semifundido y se aceleran hacia los sustratos en forma de partículas de tamaño micrométrico. La combustión o descarga de arco eléctrico se utiliza generalmente como fuente de energía para la pulverización térmica. Los recubrimientos resultantes se realizan mediante la acumulación de numerosas partículas pulverizadas. La superficie puede no calentarse significativamente, lo que permite el recubrimiento de sustancias inflamables.
La calidad del recubrimiento se suele evaluar midiendo su porosidad , contenido de óxido , macro y microdureza , fuerza de adhesión y rugosidad de la superficie . Generalmente, la calidad del recubrimiento aumenta con el aumento de la velocidad de las partículas.
Se distinguen varias variantes de proyección térmica:
En los procesos clásicos (desarrollados entre 1910 y 1920) pero aún ampliamente utilizados, como la proyección por llama y la proyección por 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 proyección 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 proyectar materiales refractarios como óxidos, molibdeno , etc. [1]
Un sistema típico de pulverización térmica consta de lo siguiente:
El cañón detonador consta de un cañón largo refrigerado por agua con válvulas de entrada para gases y pólvora. Se introducen oxígeno y combustible (el más común es el 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 hasta alcanzar 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 pólvora caliente al impactar con el sustrato da como resultado la acumulación de una capa muy densa y resistente. La capa 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 de plasma , el material que se va a depositar (materia prima), normalmente en forma de polvo , a veces en forma de líquido [2] , suspensión [3] 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. Por lo general, los depósitos permanecen adheridos al sustrato como revestimientos; también se pueden producir piezas independientes retirando el sustrato. Existe una gran cantidad de parámetros tecnológicos que influyen en la interacción de las partículas con el chorro de plasma y el sustrato y, por lo tanto, en las propiedades del depósito. Estos parámetros incluyen el tipo de materia prima, la composición y el caudal del gas de plasma, la entrada de energía, la distancia de desplazamiento de la antorcha, el enfriamiento del sustrato, etc.
Los depósitos consisten en una multitud de 'salpicaduras' similares a panqueques llamadas láminas , formadas por el aplanamiento de las gotas de líquido. Como los polvos de materia prima suelen tener tamaños de micrómetros a más de 100 micrómetros, las láminas tienen un espesor en el rango micrométrico y una dimensión lateral de varios a cientos de micrómetros. Entre estas láminas, hay 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. Estas son generalmente 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 recubrimientos sobre materiales estructurales. Dichos recubrimientos proporcionan protección contra altas temperaturas (por ejemplo, recubrimientos de barrera térmica para la gestión del calor de escape ), corrosión , erosión , desgaste ; también pueden cambiar la apariencia, las propiedades eléctricas o tribológicas de la superficie, reemplazar material desgastado, etc. Cuando se rocía sobre sustratos de varias formas y se retira, se pueden producir piezas independientes en forma de placas, tubos, carcasas, etc. También se puede utilizar para el procesamiento de polvos (esferoidización, homogeneización, modificación de la química, etc.). En este caso, el sustrato para la deposición está ausente y las partículas se solidifican durante el vuelo o en un entorno controlado (por ejemplo, agua). Esta técnica con variación también se puede utilizar para crear estructuras porosas, adecuadas para el crecimiento óseo, como recubrimiento 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. [3] Esta aplicación se utiliza principalmente para modificar la química de la superficie de los polímeros.
Los sistemas de pulverización de plasma se pueden clasificar según varios criterios.
Generación de chorro de plasma:
Medio formador de plasma:
Entorno 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 de plasma al vacío (VPS) es una tecnología de grabado y modificación de superficies para crear capas porosas con alta reproducibilidad y para la limpieza e 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 térmica , 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 opera a 39–120 °C para evitar daños térmicos. Puede inducir reacciones superficiales no activadas térmicamente, causando cambios superficiales que no pueden ocurrir con químicas moleculares a presión atmosférica. El procesamiento de plasma se realiza en un entorno controlado dentro de una cámara sellada a un vacío medio, alrededor de 13–65 Pa . El gas o la mezcla de gases se energiza mediante un campo eléctrico de CC a frecuencias de microondas , típicamente 1–500 W a 50 V. Los componentes tratados generalmente están aislados eléctricamente. Los subproductos volátiles del plasma se evacuan de la cámara mediante la bomba de vacío y, si es necesario, se pueden neutralizar en un depurador de escape .
A diferencia de la química molecular, los plasmas emplean:
El plasma también genera radiación electromagnética en forma de fotones ultravioleta de vacío que penetran los polímeros a granel hasta una profundidad de aproximadamente 10 μm. Esto puede provocar escisiones de la cadena y reticulación.
Los plasmas afectan a los materiales a nivel atómico. Se utilizan técnicas como la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X y la microscopía electrónica de barrido para el análisis de superficies con el fin de identificar los procesos necesarios y juzgar sus efectos. Como simple indicación de la energía superficial y, por lo tanto, de la adhesión o la humectabilidad, a menudo se utiliza una prueba del ángulo de contacto de las gotas de agua . Cuanto menor sea el ángulo de contacto, mayor será la energía superficial y más hidrófilo será 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 solo 1 de cada 106 se ioniza. El efecto predominante aquí es la formación de radicales libres. Los efectos iónicos pueden predominar con la selección de parámetros de proceso y, si es necesario, el uso de gases nobles.
La pulverización por arco de alambre es una forma de pulverización térmica en la que se introducen dos alambres metálicos consumibles de forma independiente en la pistola pulverizadora. A continuación, se cargan estos alambres y se genera un arco entre ellos. El calor de este arco derrite el alambre entrante, que luego es arrastrado por un chorro de aire que sale de la pistola. Esta materia prima fundida arrastrada se deposita luego sobre un sustrato con la ayuda de aire comprimido. Este proceso se utiliza habitualmente para recubrimientos metálicos pesados. [1]
El arco de alambre transferido por plasma (PTWA) es otra forma de rociado por arco de alambre que deposita un revestimiento en la superficie interna de un cilindro o en la superficie externa de una pieza de cualquier geometría. Es conocido principalmente 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 manguitos pesados de hierro fundido. Se utiliza un solo cable conductor como "materia prima" para el sistema. Un chorro de plasma supersónico derrite 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 el tipo de cable. Después de la atomización, el aire forzado transporta la corriente de gotas fundidas sobre la pared del orificio. Las partículas se aplanan cuando inciden en 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 rociado térmico PTWA utiliza un solo cable como materia prima. Se pueden utilizar como materia prima todos los cables conductores de hasta 0,0625" (1,6 mm) inclusive, incluidos los cables "con núcleo". El PTWA se puede utilizar para aplicar un revestimiento a la superficie de desgaste de los componentes del motor o de la transmisión para reemplazar un buje o un cojinete. Por ejemplo, el uso de PTWA para recubrir la superficie del cojinete de una biela ofrece una serie de beneficios, entre ellos, 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 llamada pulverización de oxicombustible a alta velocidad. Una mezcla de combustible gaseoso o líquido y oxígeno se introduce en una cámara de combustión , donde se encienden y se queman de forma continua. 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 en 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 resistencia de unión . [1]
Los recubrimientos HVOF pueden tener un espesor de hasta 12 mm (1/2"). Se utilizan típicamente para depositar recubrimientos resistentes al desgaste y la corrosión en materiales, como capas cerámicas y metálicas. Los polvos comunes incluyen WC -Co, carburo de cromo , MCrAlY y alúmina . El proceso ha sido más exitoso para depositar materiales cermet (WC–Co, etc.) y otras aleaciones resistentes a la corrosión ( aceros inoxidables , aleaciones a base de níquel, aluminio, hidroxiapatita para implantes médicos , etc.). [1]
La tecnología de recubrimiento HVAF es la combustión de propano en una corriente de aire comprimido. Al igual que el HVOF, esto produce un chorro uniforme de alta velocidad. El HVAF se diferencia por incluir un deflector térmico para estabilizar aún más los mecanismos de pulverización térmica. El material se inyecta en la corriente de aire-combustible y las partículas de recubrimiento se impulsan hacia la pieza. [4] El HVAF tiene una temperatura de llama máxima de 3560° a 3650 °F y una velocidad de partícula promedio de 3300 pies/seg. Dado que la temperatura de llama máxima 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 0,002-0,050". Los recubrimientos HVAF también tienen una resistencia de unión mecánica de más de 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 . [5]
El método de rociado y fusión utiliza calor elevado para aumentar la unión entre el recubrimiento por rociado térmico y el sustrato de la pieza. A diferencia de otros tipos de rociado térmico, el método de rociado y fusión crea una unión metalúrgica entre el recubrimiento 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. El método de rociado y fusión 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 derrite el material de recubrimiento y la capa superior del material del componente, fusionándolos. Debido al alto calor de la pulverización y la fusión, puede producirse cierta distorsión térmica, y se debe tener cuidado para determinar si un componente es un buen candidato. Estas altas temperaturas son similares a las que se utilizan en la soldadura. Esta unión metalúrgica crea un recubrimiento extremadamente resistente al desgaste y la abrasión. La pulverización y fusión ofrece los beneficios de la soldadura de cara dura con la facilidad de la pulverización térmica. [6]
La pulverización en frío (o pulverización en frío dinámica con 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 sustrato objetivo, que estaba expuesto a un flujo de alta velocidad de dos fases de polvo fino en un túnel de viento, los científicos observaron la formación rápida accidental de recubrimientos. [1]
En la pulverización en frío, las partículas se aceleran a velocidades muy altas por el gas portador forzado a través de una boquilla de 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 revestimiento. La velocidad crítica necesaria para formar la unión depende de las propiedades del material, el tamaño del polvo y la temperatura. Los metales , polímeros , cerámicas , materiales compuestos y polvos nanocristalinos se pueden depositar mediante pulverización en frío. [7] Los metales blandos como Cu y Al son los más adecuados para la pulverización en frío, pero se ha informado del recubrimiento de otros materiales (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC–Co, etc.) mediante pulverización en frío. [1]
La eficiencia de deposición es típicamente baja para los polvos de aleación, y la ventana de parámetros de 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 lo tanto su consumo, es mayor. Para mejorar la capacidad de aceleración, el gas nitrógeno se calienta hasta aproximadamente 900 °C. Como resultado, la eficiencia de deposición y la resistencia a la tracción de los depósitos aumentan. [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, lo que acerca el proceso a la pulverización en frío. El gas resultante contiene mucho vapor de agua, hidrocarburos sin reaccionar y oxígeno, y por lo tanto 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 la HVOF. Estas ventajas son especialmente importantes para materiales de recubrimiento como el titanio, los plásticos y los vidrios metálicos, que se oxidan o deterioran rápidamente a altas temperaturas. [1]
La proyección térmica es un proceso de línea de visión y el mecanismo de unión es principalmente mecánico. La aplicación de proyección térmica no es compatible con el sustrato si el área a la que se aplica es compleja o está bloqueada por otros cuerpos. [9]
La pulverización térmica no tiene por qué ser un proceso peligroso si el equipo se maneja 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. Lo ideal es que el equipo funcione automáticamente en recintos especialmente diseñados para extraer humos, reducir los niveles de ruido y evitar la visión directa del cabezal de pulverización. Estas técnicas también producirán recubrimientos más consistentes. Hay ocasiones en las que el tipo de componentes que se están tratando, 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. [10] [11]
Los equipos de pulverización de metales utilizan gases comprimidos que generan ruido. Los niveles de ruido varían según el tipo de equipo de pulverización, el material que se pulveriza y los parámetros de funcionamiento. Los niveles típicos de presión sonora se miden a 1 metro detrás del arco. [12]
Los equipos de pulverización por combustión producen una llama intensa, que puede alcanzar una temperatura máxima de más de 3100 °C y es muy brillante. La pulverización por arco eléctrico produce luz ultravioleta que puede dañar los tejidos corporales delicados. El plasma también genera mucha radiación ultravioleta, que quema fácilmente la piel expuesta y también puede causar "quemaduras por destello" en los ojos. Las cabinas y recintos de pulverización 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 inmediaciones deben usar gafas protectoras que contengan vidrio verde de grado BS 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 se esté seguro de que el equipo no recibe energía. [10]
La atomización de materiales fundidos produce una gran cantidad de polvo y humos compuestos de partículas muy finas (aproximadamente el 80-95 % de las partículas en número <100 nm). [13] Las instalaciones de extracción adecuadas son vitales no solo para la seguridad personal, sino también para minimizar el atrapamiento de partículas congeladas nuevamente en los recubrimientos rociados. Se recomienda encarecidamente el uso de respiradores equipados con filtros adecuados cuando no se pueda aislar el equipo. [13] Ciertos materiales ofrecen peligros específicos conocidos: [10]
Las pistolas de pulverización de combustión utilizan oxígeno y gases combustibles. Los gases combustibles son potencialmente explosivos. En particular, el acetileno solo se puede utilizar en condiciones aprobadas. 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 se utilicen. [10]
Las pistolas de arco eléctrico funcionan a voltajes bajos (por debajo de 45 V CC), pero con corrientes relativamente altas. Se pueden sostener con seguridad en la mano. Las unidades de suministro de energía están conectadas a fuentes de 440 V CA y deben manipularse con precaución. [10]