Compartativo de proyecciones térmicas HVOF y espreado por plasma para recubrimientos cerámicos (página 2)

Tabla 1. Esquema de utilización de tecnologías de pulverización térmica

Proyección térmica por plasma

Se trata de generar elevadas temperaturas en un arco eléctrico de tal forma que se permita la proyección de polvos de alta temperatura de fusión. Algunos de estos compuestos pueden ser: los óxidos cerámicos (Al2O3, ZrO2O3…), metálicos (Ti, Ta…), cerámicos-metálicos (MCr2O3…).

Este procedimiento se utiliza en piezas sometidas a elevadas temperaturas como pueden ser los elementos de una turbina de gas (alabes), válvulas de automóviles, etc.

Se usan dos tipos de gases: gas de propulsión y el gas ionizable o plasmágeno. Es fundamental una correcta elección del gas plasmágeno para optimizar el rendimiento de deposición del recubrimiento, en general inferior al 50% para los materiales de recubrimiento de alto costo.

Se mejora notablemente las propiedades del recubrimiento y se puede aumentar el espesor del compuesto a depositar con una correcta refrigeración del sustrato.

Ventajas del la proyección térmica por plasma:

• Elevada fuerza de unión y buena compactación debido a alta velocidad de partículas rociadas.

• Generación de calor eficiente, debido a los procesos de disociación e ionización, proporcionando un calentamiento muy efectivo del material a fundir.

• Se minimiza la oxidación ya que la fuente de calor es inerte

• Las grandes temperaturas generadas por el arco del plasma permiten la proyección de materiales con elevados puntos de fusión (materiales refractarios, materiales cerámicos),

Desventajas del proceso de esperado térmico por plasma:

• Aplicación de recubrimiento en grandes extensiones superficiales puede disminuir la consistencia y la uniformidad del revestimiento.

• La proyección tiende a producir revestimientos porosos, especialmente cuando se utilizan altas velocidades. La porosidad disminuye con la proyección en vacío y con la disminución en la granulometría del polvo.

• Los depósitos realizados pueden contener productos originados de la oxidación, junto a alguna porosidad debida a la fusión incompleta.

La imagen 3, muestra un dispositivo que consta de dos electrodos; un cátodo en forma cónica situado en el interior de un ánodo cilíndrico, el cual se extiende más allá de cátodo, formando una boquilla en su extremo.

Imagen 3. Dispositivo de dos electrodos de proyección térmica por plasma.

La Imagen 4, muestra un dispositivo de proyección térmica por plasma automatizado, utilizando extensión para recubrimientos interiores.

Imagen 4. Dispositivo de Proyección térmica por plasma automatizado.

La Imagen 5, muestra la caracterización estructural de recubrimiento por proyección térmica por plasma, se destaca la evidente porosidad que muestra el revestimiento. Observación en MEB a 100X.

Imagen 5. Caracterización estructural de recubrimiento por proyección térmica por plasma a 100X utilizando MEB.

Proyección térmica HVOF

Se basa en la combustión de un combustible, generalmente propano, propileno, gas natural, hidrógeno o keroseno y un comburente, oxigeno o aire, ambos a elevada presión. Debido a la expansión de los gases hacia el exterior de la cámara de combustión, se genera un haz que se encarga de acelerar las partículas que han sido introducidas dentro de el.

El proceso minimiza el intercambio térmico y maximiza la cinética para producir recubrimientos realmente densos, con baja porosidad y alta adherencia al substrato. Las partículas pueden llegar a alcanzar velocidades de 600 a 800 m/s que durante el impacto se transforman en energía térmica obteniéndose un recubrimiento de alta calidad.

La Imagen 6, muestra un dispositivo típico de proyección térmica HVOF.

Imagen 6. Dispositivo de HVOF

Los diversos sistemas de HVOF se diferencian en el tipo de alimentación de inyección, el diseño de la cámara de combustión. El polvo como materia prima generalmente se inyecta en los gases de escape de agua caliente, o en la cámara de combustión, dependiendo del tipo de HVOF y sistema de la boquilla. La calefacción y la aceleración de las partículas se lleva a cabo dentro del cañón de la antorcha y la velocidad de la salida y la ampliación de gases puede ser tan alto como 1200 m / s.

Debido a las altas velocidades de partículas y las temperaturas más bien moderadas, estos procesos se utilizan preferentemente para el revestimiento de materiales que tienden a descomponerse a temperaturas más altas, este es el motivo de su principal aplicación, la deposición de metales duros / carburos cementados como WC / Co y Cr3 C2 / NiCr, ya que la densidad y la resistencia al desgaste de estos recubrimientos es muy buena.

El principal campo de aplicación de recubrimientos mediante HVOF radica en la mejora de resistencia a la abrasión y el desgaste. Algunos ejemplos de su aplicación son: componentes como las boquillas de chorro de agua de las herramientas de corte, industrias productoras de aluminio, válvulas y bombas en las aplicaciones petroquímicas y sellos mecánicos.

Ventajas de utilizar HVOF

• Utilizando el sistema HVOF es posible minimizar el oxigeno contenido y mejorar las propiedades del recubrimiento

• Se consiguen recubrimientos de sistemas metálicos y materiales tipo cermet con muy baja porosidad, buena resistencia a la oxidación y buena adherencia.

• Adecuación de amplia gama de materiales base

• Tamaño ilimitado de piezas a recubrir

• Optimización de parámetros (influyen en las propiedades de los recubrimientos)

• Posibilidad de mayores espesores y menor volumen de residuos entre otros.

Desventajas del HVOF

• Frágil y baja resistencia a la falla

• Requiere un cuidadoso control de calidad

• Se requiere de un disco de diamante para su maquinado cuando se utiliza WC.

• Las temperaturas que pueden alcanzarse dependen del tipo de combustible utilizado, de forma que dependiendo del material que se necesita utilizar para el revestimiento, se debe utilizar también el combustible que permita alcanzar la temperatura de combustión necesaria para la fusión de las partículas de revestimiento.

• Los procedimientos HVOF tampoco son los más adecuados para materiales con bajo punto de fusión porque los procesos de combustión de baja temperatura que se requieren son muy poco estables y tienden a interrumpirse durante el proceso de recubrimiento.

La Imagen 7, muestra la caracterización estructural de recubrimiento por HVOF. Observación en MEB a 200X.

Imagen 7. Caracterización estructural de recubrimiento por HVOF

La Imagen 8 muestra un esquema del equipo requerido para la utilización de sistema de HVOF.

Imagen 8. Equipo para sistema HVOF.

La Imagen 9, muestra un dispositivo HVOF automatizado

Imagen 9, dispositivo HVOF automatizado

Imagen 10, muestra una extensión para recubrimientos interiores de HVOF

Imagen 10, dispositivo HVOF aplicando en interiores

Diferencia entre proyección térmica HVOF y proyección térmica por plasma

La diferencia entre los dos sistemas de proyección, se basa en la fuente energizante utilizada y el tipo de pistola empleado.

La característica fundamental de un proceso de proyección térmica por arco plasma, es conseguir a través de un arco eléctrico de elevada energía, disociar e ionizar un gas, generalmente inerte, para formar el estado plasma. El material que se proyecta se incorpora en este chorro, donde se caliente y se acelera su impacto con la superficie del sustrato que se desea recubrir.

En el HVOF la elevada energía (característica del proceso) se consigue en una combustión controlada en la que se obtiene un flujo de gases de post-combustión a una temperatura de 3.400 K y velocidades de las partículas del material que se proyecta superiores a 700 m/s.

La Tabla 2 muestra las características típicas de los esperados térmicos por plasma y HVOF.

Tabla 2. Características de esperados térmicos por plasma y HVOF

La Imagen 11, muestra una comparación de desgaste de recubrimientos por proyección térmica aplicados por HVOF, Plasma, Arco y Cromo duro.

La Imagen 11, muestra una comparación de desgaste de recubrimientos por proyección térmica aplicados por HVOF, Plasma, Arco y Cromo duro.

Autor:

Rodrigo Díaz Gandara

Saltillo, Coahuila México

Marzo de 2009