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