Proyección Térmica
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I+D+i Rubén González Rodríguez Dpto. de Ciencia y Tecnología Náutica Universidad de Oviedo 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica INDICE 1. Nuevos procesos de proyección térmica 1. Proyección Fría 2. Warm spray 3. HVAF 2. Aplicaciones tribológicas del láser 1. Propiedades de la radiación láser. Interacción con los materiales 2. Aplicaciones industriales del laser 3. Recubrimientos mediante láser Refusión láser Plaqueado láser 3. Innovación en recubrimientos 1. 2. 3. Recubrimientos multicapa Recubrimientos progresivos Modificaciones del régimen de lubricación Jornada Técnica: PROYECCIÓN TÉRMICA NUEVAS PROCESOS DE PROYECCIÓN TÉRMICA 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Material Hilo/Polvo Haz de Proyección Recubrimiento Proceso Plasma Arco Llama HVOF Substrato Metales Cerámicas Cermets Polímeros Zona de fusión Distancia de proyección Temperatura de la pieza: 70-150ºC 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA DETONACION Temperatura PLASMA ARCO LLAMA PROYECCIÓN FRÍA Velocidad 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Proyección fría (Cold Gas Spray) Un gas a elevada presión (hasta 40bar) y baja Temperatura que le transmite una elevada energía cinética (velocidad hasta 4 mach) y bajo aporte térmico, aprovechando la deformación plástica del material de aporte para la adherencia mecánica al sustrato. 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Proyección fría (Cold Gas Spray) Materiales de recubrimiento •Metales: Aluminio, Titanio, Níquel, Cobre, Plata, Oro •Aleaciones: Ni-Cr, Bronce, Latón, MCrAlY 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Proyección fría (Cold Gas Spray) Velocidad crítica < velocidad de erosión 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Proyección fría (Cold Gas Spray) •La partículas no sufren fusión (no hay stress térmico) •Reducción o anulación de las porosidades y los óxidos en los recubrimientos •No existe el splashig ya que las partículas se encuentran en estado solido cuando llegan al sustrato •El efecto “peening” de las partículas que llegan a alta velocidad tienden a cerrar los pequeños poros y huecos existentes en las capas de material subyacentes. •La química, la composición de las fases, y la estructura cristalina de las materias primas se mantiene. •Es de manejo fácil, rápido y se trabaja en atmósfera ambiental •Proceso más eficiente y más respetuoso con el medio ambiente 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA DETONACION Temperatura PLASMA ARCO LLAMA WARM SPRAY COLD SPRAY Velocidad 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Warm Spray La técnica de Cold Spray tiene dificultades para conseguir temperaturas por encima de los 800 K. La temperatura de fusión y de cambio de fase de muchos materiales inorgánicos esta entorno a los 800~1500 K. La cohesión y densificación esta controlada por propiedades mecánicas dependientes de la temperatura. La baja capacidad de deformación del titanio se traduce en recubrimientos más porosos comparado con otros materiales como el aluminio o el cobre 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Warm Spray Se denomina Warm Spray a un proceso similar al de HVOF en el cual la temperatura de la combustión se controla mediante la introducción de un gas inerte (nitrógeno). Se obtiene un flujo supersónico resultante entre 800~1900 K y 900~1600 m s−1 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA DETONACION Temperatura PLASMA ARCO LLAMA WARM SPRAY HVAF COLD SPRAY Velocidad 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA High Velocity Air Fuel Proceso similar al HVOF pero se emplea aire en lugar de oxígeno Aire 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA High Velocity Air Fuel •Se elimina la necesidad de tanques de oxígeno y reduciendo costes. •El empleo de aire permite operar a bajas temperaturas con todas las ventajas de la proyección de partículas sólidas (Cold Spray) •El contenido de óxidos disminuye •Las capas resultante contienen tensiones residuales de compresión ©2009 Kermetico, Inc. Jornada Técnica: PROYECCIÓN TÉRMICA APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Características de la radiación láser Coherencia Se dice que una fuente de luz es coherente cuando todas las ondas de luz poseen la misma frecuencia y están en fase. Direccionalidad y divergencia La direccionalidad es la propiedad de concentrar toda la luz láser en un rayo estrecho que se propague en una única dirección. Monocromaticidad La longitud láser consiste en una única longitud de onda, a diferencia de la luz blanca, que es una combinación de todos los colores o longitudes de onda. 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Características de la radiación láser •Gran intensidad energética, que se puede concentrar en una zona muy reducida de una manera controlada. •No hay contacto entre pieza y herramienta. •El rendimiento energético global es mayor que el conseguido por procedimientos tradicionales de soldadura, tratamientos térmicos, etc. •Rapidez de respuesta y precisión, lo que, unido a la flexibilidad, permite una buena integración con la robótica . •Capaz de generar nuevas transformaciones microestructurales en las materiales que modifican sus propiedades. •Permite un amplio rango de potencias desde mW a kW y de energías pulsadas desde J a J. 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Características de la radiación láser Interacción con diferentes materiales: Absorción 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Taladrado Taladrado Tratamientos Tratamientos superficiales superficiales Temple Temple Fusión Fusión Aleación Aleación INDUSTRIALES INDUSTRIALES Corte Corte Plaqueado Plaqueado Marcado Marcado Soldadura Soldadura Procesos Procesos especiales especiales Estereolitografías Estereolitografías Sinterizado Sinterizado láser láser Limpieza Limpieza Almacenamiento Almacenamiento yy lectura lectura de de datos datos TELECOMUNICACIONES TELECOMUNICACIONES Comunicaciones Comunicaciones por por fibra fibra óptica óptica ARTES ARTES GRÁ ÁFICAS GR GRÁFICAS APLICACIONES APLICACIONES DEL ÁSER LLÁSER DEL LÁ Sistemas Sistemas de de impresión impresión Holografía Holografía Corte Corte de de tejidos tejidos MEDICINA MEDICINA Soldadura Soldadura de de tejidos tejidos Ablación Ablación de de tejidos tejidos Medida Medida de de distancias distancias METROLOGÍ ÍA METROLOG METROLOGÍA Nivelación Nivelación Medida Medida de de velocidades velocidades Tamaño Tamaño de de partículas partículas CARAC. CARAC. MATERIALES MATERIALES Microscopia Microscopia confocal confocal Espectroscopia Espectroscopia 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Fusión con láser de materiales predepositados Láser: Focaliza una elevada energía en una región pequeña, suficiente como para fundir la capa e incluso una pequeña parte del material base para lograr una elevada unión entre capa y substrato Recubrimiento Substrato Láser Zona aleada 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Fusión con láser de materiales predepositados La fusión superficial con láser de recubrimientos realizados por proyección térmica podría considerarse como una forma de predepositar el material de recubrimiento Alta porosidad Desventajas Poca adherencia 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Fusión con láser de materiales predepositados Densidad de potencia (W/cm2): D = Pot/π(d/2)2 • Potencia • Diámetro del haz Densidad de energía (J/cm2): E = Pot/(d•V) • Velocidad de procesado Tiempo de interacción (s) Haz láser Recubrimiento predepositado Dirección de avance del haz Punto focal Substrato Recubrimiento refundido 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Fusión con láser de materiales predepositados • Reducción de porosidad. Sellado de recubrimientos. • Unión metalúrgica con el substrato •Mejor resistencia a la corrosión Recubrimiento Zona refundida Substrato Características geométricas a: ancho p: profundidad p*:penetración 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Se inyecta el material en forma de polvo sobre la superficie de un substrato que está siendo irradiado por un haz láser. La fusión del polvo y de una mínima parte del substrato crea el depósito. Capas uniformes mediante solapamiento de distintos cordones 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) • Potencia Densidad de polvo (g/cm2) = Caudal/V •d • Diámetro del haz Gramos sobre el spot = Den. Polvo •π(d/2)2 • Velocidad de procesado • Caudal de polvo Energía por masa de polvo aportada (J/g): Em= E/ Den. polvo 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Inyección lateral de polvo • Alineamiento poco preciso del polvo y el haz • Difícil control del tiempo de recorrido de partículas bajo el haz • La inyección de polvo no tiene simetría con respecto al haz y le afecta la dirección de desplazamiento. • Baja eficacia en el aprovechamiento del polvo 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Inyección lateral de polvo Proceso muy sensible al cambio de dirección. Mejores resultados inyectando por delante del haz respecto al sentido de desplazamiento. Mejor eficacia inyectando retrasado respecto al haz láser. 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Inyección coaxial BOQUILLA COAXIAL FLUJO DE POLVO Y GAS PIEZA BASE CANALES INTERNOS PARA POLVO GAS DE PROTEC CIÓN MATERIAL DEPOSITADO 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Inyección coaxial • Alineación precisa del polvo y el haz • Omnidireccional • Alta eficacia en el aprovechamiento del polvo 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) • Capas con mínima dilución • Capas libres de poros y grietas • Mantener dureza del substrato y valores del recubrimiento aceptables • Solapamiento uniforme entre cordones a hc hs l Características geométricas • Altura del cordón (hc). • Penetración (hs). • Ancho del cordón (a). • Altura total del cordón (hs+hc). • zona térmicamente afectada (ZAT) (l). • Dilución, (hs/(hs+hc)*100) 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) x a Objetivo Capas suaves y onduladas (fácil rectificado) Solapamiento: a = ancho cordón x = distancia solape G = grado de solapamiento X= (1-G) a 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Protección anti-corrosión y anti-desgaste EJES CABEZAS DE PISTON ALABES DE TURBINAS VALVULAS DE MOTOR 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Reparación y restauración de componentes MOLDES Y MATRICES CUCHILLAS CIGÜEÑALES ENGRANAJES 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Recubrimientos superficiales con láser Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Rapid manufacturing Jornada Técnica: PROYECCIÓN TÉRMICA INNOVACIÓN EN RECUBRIMIENTOS 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica INNOVACIONES EN RECUBRIMIENTOS Recubrimientos multicapa MULTICAPA Se busca aprovechar la características de cada uno de la capas (por ejemplo barrera térmica en el interior y resistencia al desgaste en el exterior 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica INNOVACIONES EN RECUBRIMIENTOS Recubrimientos graduales GRADUAL La composición del recubrimiento no es homogénea. Algunos compuesto cambian su concentración a medida que se penetra en la capa Recubrimiento de aluminio reforzado en la zona superior con alúmina. 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica INNOVACIONES EN RECUBRIMIENTOS Modificaciones del régimen de lubricación La porosidad de los recubrimientos realizados por proyección térmica favorece la lubricación en condiciones desfavorables Refusión parcial láser (Mallado láser X U 11-11-2010 Gijón Proyección Térmica APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER Modificaciones del régimen de lubricación Texturizado láser sobre recubrimientos relazados por láser cladding I+D+i Rubén González Rodríguez Dpto. de Ciencia y Tecnología Náutica Universidad de Oviedo
