proyección térmica: procedimiento para modificar las características superficiales del material

Esta tecnología se está manifestando como un eficaz – y rentable- sistema para mejorar las propiedades superficiales de elementos estructurales y piezas sometidas a severas condiciones de trabajo. Centro de Proyección Térmica – CPT- es uno de los grupos con más prestigio y experiencia en este terreno que estudian y aplican esta técnica.

La tecnología no es nueva; sin embargo el desarrollo de nuevas técnicas de proyección y de producción de polvos de materiales así como de control de calidad, han ampliado notablemente su campo de aplicación, cada vez mayor, permitiendo un constante desarrollo de nuevos productos que a su vez atienden las crecientes necesidades del mercado que demanda mayores esfuerzos a materiales estructurales - generalmente metálicos- que, por si mismo, no pueden ofrecer.

Generalidades

En la proyección térmica se utilizan partículas fundidas (total o parcialmente) metálicas, cerámicas o poliméricas, que son lanzadas con gran velocidad y presión sobre superficies –sustrato- metálicas, cerámicas o poliméricas donde solidifican y se adhieren formando un recubrimiento.
El objetivo final de estos recubrimientos es el de “proteger” a estos materiales estructurales de esfuerzos, que se pueden clasificar de esta manera:
- Desgaste: abrasivo, fricción, erosión
- Ataque químico
- Altas temperaturas: interior y exterior [en función de barrera térmica]
- Ataque químico
Además de casos especiales como:
- Abradables ( Matriz metálica + Aditivo) aplicado, entre otros casos, en elementos a utolubricados.
Factores necesarios a proteger en componentes propios de los sectores aeronáutico, automoción, médico, en los que el incremento de sus propiedades técnicas están directamente relacionas con sus características superficiales que se han aumentado con las aportaciones de componentes realizado por el procedimiento de Proyección pero atendiendo al principio de que las propiedades mecánicas de la pieza no se modifican, sino sólo las superficiales.

Características finales: estructura del recubrimiento y sus peculiaridades

La consecución de las características deseadas en cada proyecto pasan por una cuidadosa elección de los componentes [matriz+aportación] que se van a utilizar, número y forma de capas de aportación y sistema de proyección utilizado. Asimismo es importante definir el sistema de capas necesarias para obtener el resultado esperado.
La superficie del sustrato debe prepararse con un grado de rugosidad tal que permita una deposición del material proyectado eficiente; que no se generen “valles” ni “crestas” que en el posterior proceso mecánico de acabado no permitan alcanzar la calidad deseada. Usualmente se preparan con un chorreado con partículas abrasivas; permite además de limpiar la zona de aportación de capas de óxido, productos corrosivos, grasa, etc. proporcionan la rugosidad necesaria para que el recubrimiento se adhiera. El valor mas adecuado de rugosidad es del rango R ms = 0,5 -3 µm.
La estructura del recubrimiento se desarrolla atendiendo a las prestaciones solicitadas. Sobre el sustrato (la pieza) se pueden aplicar la proyección de esta manera:
- Convencional: Sobre el substrato una capa proyectada
- Multicapa: Varias capas superpuestas
- Gradual: entre el substrato y la capa exterior hay una intermedia de composición variable que hace el papel de transición entre ambas [para que no se generen tensiones por la diferencia de características mecánicas entre ellas]
Otro aspecto importante a considerar es el control de la temperatura del sustrato (pieza) y su comportamiento frente a la Proyección Térmica. Dado que el procedimiento en sí genera niveles considerables de energía térmica y cinética, se puede refrigerar para mantenerlo en el nivel de los 150-200ºC; que en sustratos metálicos, se consigue reducir considerablemente la tendencia a la deformación, cambios metalúrgicos y oxidación

Materiales de aportación

Como norma general, cualquier material que funda sin sublimar, descomponerse u oxidarse a temperatura de proyección, puede ser utilizado en esta tecnología.
Según sea la naturaleza de la aplicación (geometría o zona de depósito), los materiales se utilizan en forma de polvo, hilo (hueco en cuyo interior se halla la aportación en forma de polvo), hilo macizo (semejante al utilizado para soldar).
Puede proyectarse:
- metales puros (usados especialmente para protección a la corrosión electroquímica y seca)
- Con matriz (el material que está en mayor proporción) y aportación; en esta disposición se están empleando diferentes mcomposiciones:
mm. Metal. Proporcionan e levada resistencia (con rotura dúctil), conductividad térmica-eléctrica y conformabilidad
mm. Aleaciones metálicas
mm. Cermets [carburos cementados, cerámicas+metales] diferentes componentes ya preparados
mm. Cerámica. Se obtiene excelente comportamiento a e levada temperatura, resistencia a la corrosión y dureza
mm. Polímeros. Además de b ajo coste de fabricación y peso transfieren una elevada resistencia a la corrosión.
- combinación de estructuras tipo matriz:
mm. Matriz metálica + cerámica
mm. Matriz metálica + polímero
mm. Matriz cerámica + metal
mm. Matriz cerámica + polímero
mm. Matriz polimérica + metal
mm. Matriz polimérica + cerámica
Esta gama de posibilidades de combinación de materiales es una clasificación muy general; pero permite tener una idea de la amplitud del procedimiento de proyección térmica.
Por este motivo, cada caso exige, pues, un estudio (y prueba) del integrante más adecuado.

fundir-proyectar

Es el fundamento de esta tecnología y aunque hay diferentes formas de aplicarla, todas cumplen con estas condiciones:
- Existe una transmisión de calor y se imprime una velocidad al material de aporte.
- Interacción del material de aporte con el haz caliente.
- Características básicas del haz: viscosidad y conductividad térmica.
- Parámetros críticos: temperatura y velocidad transmitidas a la partícula (=>plasticidad).
- Todos los recubrimientos por Proyección Térmica, son agregados mecánicos y no tienes difusión.

Procedimientos de Proyección

En este plano, los procedimientos existentes para realizar procesos de fusión-proyección de materiales, son lo siguientes:

- Por llama: En primer término, el material de aportación se funde por medio de un gas combustible (temperaturas entre 2.500-3000ºC, según el gas –o mezcla-). Posteriormente se proyecta atomizado (también por medio de una corriente de gas -normalmente aire-).
Posteriormente la pieza puede ser sometida a tratamiento térmico (con hornos de inducción).
Es un proceso lento en el que se utiliza normalmente polvo. Porosidad:
- Con polvo: 7-12%
- Con hilo: 3-8%

- HVOF : se minimiza el consumo de energía térmica (oxígeno e hidrógeno)y maximiza la energía cinética de las partículas. Básicamente para Cermets. Porosidad del 0.1- 2.0%

- Detonación: pre mezcla de gases (combustible y oxigeno) junto con una carga de material en polvo que posteriormente se hacen detonar en un proceso repetitivo. La onda generada se desplaza a alta temperatura y presión (a lo largo de una cámara). El recubrimiento se realiza solapándose en forma de círculos de recubrimiento, con una excelente adhesión

- Arco eléctrico: El calentamiento y la fusión se realiza por arco eléctrico, alcanzando hasta 4.000ºC. Es un procedimiento con un coste relativamente bajo que se utiliza para grandes producciones. Una de sus limitación reside en el hecho de que deben utilizarse materiales necesariamente conductores eléctricos y con cierta ductilidad.

- Plasma: Este procedimiento se utiliza cuando hay cerámica. Exige ser utilizado dentro de un reactor para control del ambiente que puede ser atmosférico o controlado (usualmente Argón). Las partículas se aceleran hasta 300-500 m/s. Es un sistema muy versátil por su amplia gama de temperaturas y aunque se emplea para generar recubrimientos de cualquier metal, cermet ó material cerámico, lo habitual son con aquellos que precisan alta temperatura de fusión.
El recubrimiento suele emplearse en el campo de barreras térmicas como recubrimientos de zirconia y alúmina y de óxido de cromo resistentes al desgaste.
Porosidad de 1,0- 5.0%

- Cold Spray – “aplicación en frio” se utiliza el gas (400º y presión de 30 bar) como propelente. No hay fusión y se emplea material dúctil (Cu, Ag..). Porosidad en orden del 0.1- 1.0%

- Laser: procedimiento semejante a la soldadura: calentamiento por laser centrado en la zona y aportación por hilo.
El éxito del recubrimiento se ve influenciado por la distancia que entre el objeto y la boquilla de proyección.

Acabado final – a tolerancia de uso

Habitual espesores de capa entre 50-300µ. En el caso de abradables (con Ni y Al) hasta 5 mm. Por ello, Tras la proyección se realiza la mecanización y acabado del recubrimiento para dejar la pieza a las dimensiones finales.
Un ejemplo es el de los recubrimientos Ni-Grafito aplicado en aeronáuticas en turbina con la función de que éstas ajusten en su alojamiento (sacrificio mecánico). Normalmente el espesor aplicado alcanza los 4 mm. También sucede lo mismo en turbinas de cogeneración. Cuando se desgasta, se vuelve a recargar.
Otro ejemplo está en los recubrimientos con Zn usados como protección a corrosión.
En piezas donde el grueso de las paredes es pequeño, es necesario aplicar enfriamiento en la pieza y tener en cuenta la velocidad de la aportación para no generar deformaciones de ésta.

Mercado: amplio campo de aplicaciones

De los estudios que se han realizado sobre la implantación de esta adquiriendo la aplicación de esta tecnología se desprenden estos datos referidos a los sectores:
- aeronáutica: 28%
- automoción: 15%
- diferentes procesos industriales: 13%
- protección a la corrosión: 10%
- recubrimientos bio compatibles (prótesis material bio inerte): 2%
Asimismo es también importante conocer el grado de penetración de esta tecnología en los paises de la CEE.
En la actualidad, de los datos disponibles, Alemania, Austria y Suiza representan el 34% del mercado, al que siguen en importancia Inglaterra 21%; Francia 19% e Italia con el 12%.
España, en estos momentos, representa una cuota de mercado del 4%.

Tendencias

La tecnología de la Proyección Metálica está en constante evolución. La necesidades del mercado están marcando una constante evolución que se podría concretar en estos temas:
- Aumentar la velocidad de aportación.
- Primar velocidad frente a temperatura:
- aumentar presión en cámara.
- combustibles líquidos.
- para algunos casos usar gas caliente directamente (Cold Spray).
- Plasmas mejor estabilizados.
- Proyección en interiores. En automoción actualmente se esta utilizando con éxito en camisas para motores.
- Desarrollo de materiales de aporte.
- Barreras térmicas. Esta aplicación tiene especial importancia cuando se trabaja a altas temperaturas y el sustrato debe mantenerse a una inferior –a base de contar con refrigeración – para proteger sus características mecánicas. Se aplica de esta manera:
mm- Capa proyectada aislante; en forma de capa gradual.
mm- Capa de anclaje
Especial aplicación en la industria aeronáutica donde se emplea, por ejemplo, como recubrimiento interior de las cámaras de combustión – que dirigen los gases a los alabes del motor-.
Para la capa proyectada (barrera) se utiliza cerámica (básicamente óxido de Zirconio – Zirconia-) y su función es la de dificultar la transmisión de calor de esa zona al exterior del elemento de forma tal que su salto térmico no supere los 150ºC.

Centro de Proyección Térmica - CPT

El Centro de Proyección Térmica -CTP- formado por un competente grupo de profesionales, cuenta con una sólida experiencia en el campo de la mejora de las características superficiales de piezas y un reputado prestigio en diversos sectores donde este apartado alcanza una importancia vital. Cuenta, entre otras, con la Certificación ISO 9001 y UNE 166002 lo garantiza que su labor esté dentro de los estándares exigidos en el mercado exterior.
Para realizar esta función CPT dispone de equipos y sistemas de control de calidad de primer rango.
Para el primer apartado cuenta con e quipo de Plasma Atmosférico, de HVOF, de Llama (con Control on-line) y robot ABB (IRB1500).
Para Estudio y Ensayo, dispone de los componentes necesarios para la realización de ensayos de Desgaste Abrasivo, Desgaste a Fricción [ Ball-on-Disk test (ASTM G99-90) a t emperatura ambiente y hasta 500ºC], Desgaste Erosivo (chorro de corindón).
En el terreno de Caracterización Tribológica cuenta con Interferometría de Luz Blanca, SWLI y equipos para medición de Rugosidad Superficial

Centro de Proyección Térmica
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Tel: 934021302
Fax: 934021638
E-mail:cpt-cmem@ub.edu
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