Pulverización por detonación

La pulverización por detonación es una de las muchas técnicas de proyección térmica que se utilizan para aplicar un recubrimiento protector a velocidades supersónicas sobre un material con el fin de modificar sus características superficiales. Esto se hace principalmente para mejorar la durabilidad de un componente. Fue inventada en 1955 por HB Sargent, RM Poorman y H. Lamprey, y se aplica a un componente mediante una pistola de detonación (pistola D) diseñada específicamente para este fin. El componente que se va a pulverizar debe prepararse adecuadamente eliminando aceites, grasas y residuos superficiales, y lijando la superficie para lograr un recubrimiento de pulverización por detonación de alta adherencia. Este proceso implica las velocidades (onda de choque de  ≈3500 m/s que impulsa los materiales de recubrimiento) y temperaturas (≈4000 °C) más altas que cualquier otra técnica de proyección térmica. Debido a estas características, la pulverización por detonación permite aplicar recubrimientos protectores de baja porosidad (inferior al 1 %) y bajo contenido de oxígeno (entre 0,1 y 0,5 %) que protegen contra la corrosión , la abrasión y la adherencia bajo cargas bajas. 

Este proceso permite la aplicación de recubrimientos superficiales muy duros y densos, útiles como recubrimientos resistentes al desgaste . Por esta razón, la pulverización por detonación se utiliza comúnmente para recubrimientos protectores en motores de aeronaves, calibres de bujías y anillos, filos de corte (cuchillas de desbaste), brocas tubulares, álabes de rotor y estator, rieles guía o cualquier otro material metálico sometido a un alto desgaste. Generalmente, los materiales que se pulverizan sobre los componentes durante la pulverización por detonación son polvos de metales, aleaciones metálicas y cermets , así como sus óxidos (aluminio, cobre, hierro, etc.).

La pulverización por detonación es un proceso industrial que puede ser peligroso si no se realiza correctamente y en un entorno seguro. Por ello, es fundamental seguir numerosas precauciones de seguridad al utilizar esta técnica de pulverización térmica.

El proceso de pulverización por detonación fue desarrollado por primera vez en 1955 por HB Sargent, RM Poorman y H. Lamprey ^{[ 1 ]} y posteriormente patentado. Union Carbide lo comercializó por primera vez ese mismo año como el «Proceso D-Gun» ^{[ 2 ]} . En la década de 1960, el Instituto Paton de Kiev (Ucrania) lo perfeccionó, dando lugar a una tecnología que aún hoy se comercializa en Estados Unidos a través de Demeton Technologies (West Babylon) ^{[ 3 ] .}

Los recubrimientos por pulverización detonante se aplican utilizando una pistola de detonación (pistola D), que consta de un largo cañón metálico refrigerado por agua con válvulas de entrada para introducir gases y polvos en la cámara. ^{[ 4 ]} Se introduce en la cámara una cantidad preseleccionada del material de recubrimiento protector deseado, conocido como materia prima (en forma de polvo con un tamaño de partícula de 5 a 60 μm) (a caudales de polvo comunes de 16 a 40 g/min). ^{[ 3 ]} Aquí, el oxígeno y el combustible (generalmente acetileno ) se encienden mediante una bujía para crear una onda de choque supersónica que impulsa la mezcla de materia prima fundida, parcialmente fundida o sólida (según el tipo de material utilizado) fuera del cañón y sobre el objeto que se está pulverizando. A continuación, se limpia el cañón con una breve ráfaga de nitrógeno antes de que la pistola D esté lista para disparar de nuevo. Este es un paso importante porque el calor de los gases residuales puede provocar la combustión de la nueva mezcla de combustible, lo que a su vez causaría una reacción incontrolable. Además, una pequeña cantidad de gas nitrógeno inerte insertado entre las dos mezclas de combustible y materia prima antes del disparo, ayuda a prevenir el retroceso de llama. ^{[ 3 ]} Las pistolas D suelen operar a frecuencias de disparo de entre 1 y 10 Hz. Se pueden utilizar muchas mezclas diferentes de polvos de recubrimiento y configuraciones de la pistola D durante la pulverización de un material con pistola de detonación, todas las cuales influyen en las características superficiales finales del recubrimiento pulverizado. Los materiales en polvo comunes utilizados incluyen, entre otros: alúmina-titania, alúmina, carburo de tungsteno - mezcla de carburo de tungsteno - cromo con aglutinante de aleación de níquel - cromo , carburo de cromo, carburo de tungsteno con aglutinante de cobalto . ^{[ 5 ]} 

Los metalúrgicos consideran las mediciones del contenido de oxígeno superficial, la macro y microdureza , la porosidad, la resistencia de la unión y la rugosidad superficial al determinar la calidad de un recubrimiento aplicado por proyección térmica. ^{[ 6 ]}

Componentes

• Bujía
• Barril refrigerado por agua
• Válvula de entrada de nitrógeno
• Válvula de entrada de combustible
• Válvula de entrada de oxígeno
• Válvula de entrada de materia prima en polvo

^{[ 4 ]}

Los recubrimientos aplicados por pulverización detonante se adhieren principalmente de forma mecánica. Esto significa que la superficie del componente que se va a pulverizar debe prepararse adecuadamente para maximizar la fuerza de adhesión entre el recubrimiento y el sustrato. Para preparar la superficie correctamente, debe limpiarse de grasas, aceites, suciedad y otros contaminantes, y rugosizarse lo suficiente para que el recubrimiento se adhiera correctamente. Los procesos químicos suelen ser los métodos más adecuados para limpiar la superficie del sustrato. Posteriormente, se debe tener cuidado de no tocar ni ensuciar la superficie antes de la pulverización. Los tres métodos utilizados para rugosizar la superficie del sustrato son el granallado abrasivo , el mecanizado y la aplicación de un recubrimiento de unión. La limpieza se realiza solo después de la rugosización de la superficie, excepto cuando se utiliza un recubrimiento de unión; en este caso, la superficie debe limpiarse antes y, posiblemente, también después de este proceso. La aplicación del recubrimiento por pulverización detonante debe realizarse lo antes posible después de que la superficie del sustrato haya sido preparada. ^{[ 5 ]}

Mecanizado

En los casos en que se requiere una unión mecánica muy fuerte (como en el caso de componentes que se van a mecanizar), la superficie del componente se suele mecanizar para crear ranuras a las que se adhiera el recubrimiento. Las ranuras de cola de milano ofrecen una fuerte unión positiva, pero pueden ser laboriosas y costosas. Un método más económico consiste en cortar ranuras simples parcialmente abiertas, aunque este método produce una resistencia de unión final inferior. Los bordes y las esquinas de un componente presentan posibles puntos débiles en la estructura del recubrimiento, ya que pueden desprenderse del componente. Para aumentar la resistencia de la unión en estos puntos, se deben redondear las esquinas y los bordes del componente. Si el recubrimiento no necesita alcanzar los bordes de un componente, se puede utilizar un socavado (como se muestra en el diagrama de la derecha) para fijar el recubrimiento al sustrato. Aunque los socavados también se pueden utilizar en otros escenarios. ^{[ 10 ]}

Los recubrimientos suelen contraerse tras su aplicación debido al proceso de enfriamiento. Por ello, es necesario tomar medidas para minimizar los efectos negativos de la contracción. De lo contrario, el recubrimiento puede sufrir tensiones que lo debilitarán y, en algunos casos, pueden provocar su desprendimiento. La contracción de los recubrimientos puede utilizarse para aumentar la resistencia de la unión si se aplican correctamente. Recubrir toda la superficie externa de un componente implica que este se contraerá alrededor del componente al enfriarse, proporcionando una especie de fuerza de agarre que incrementará la resistencia mecánica de la unión. Lo mismo ocurre si se rocía un componente plano sobre los bordes: el recubrimiento se adherirá a la superficie como una abrazadera, aumentando de nuevo la resistencia de la unión. Los recubrimientos internos se ven afectados por la contracción, ya que se separan de la superficie del componente. Para contrarrestar esto, se puede calentar el componente para reducir los efectos de la contracción relativa durante el enfriamiento. ^{[ 5 ]}

Los componentes deben mecanizarse en seco (sin aceites) para evitar que se depositen aceites en el componente antes de la pulverización. Si esto es inevitable, será necesario limpiar nuevamente el sustrato antes de la pulverización por detonación. ^{[ 5 ]}

La pulverización por detonación produce recubrimientos con una resistencia de enlace químico y dureza muy elevadas. Los recubrimientos presentan baja porosidad, bajo contenido de oxígeno y una rugosidad superficial de baja a media. Esto se logra gracias a las temperaturas y velocidades extremadamente altas que genera la pistola de detonación durante la aplicación del recubrimiento superficial. ^{[ 6 ]} Estas propiedades convierten a la pulverización por detonación en el estándar de comparación para todos los demás recubrimientos por proyección térmica (arco de alambre, plasma, llama, HVAF, HVOF, en caliente, en frío ). ^{[ 2 ]}

Existen muchos factores que determinan las propiedades finales del recubrimiento de la pistola de detonación. Principalmente, las propiedades de la superficie están determinadas por el tipo y las propiedades del polvo utilizado (composición y tamaño de partícula), pero también se ven afectadas por los ajustes de la pistola. Estos ajustes incluyen el caudal de polvo, la cadencia de disparo, la distancia entre la pistola y el objetivo, la forma en que se mueve la pistola para aplicar el recubrimiento, el tamaño del cañón y la cantidad y composición de la mezcla de combustible y oxígeno.

La pulverización por detonación permite aplicar recubrimientos protectores a materiales relativamente sensibles y delicados. Esto se debe a la rapidez del proceso y a que la fuente de calor se encuentra alejada del material objetivo. Esto posibilita una amplia gama de aplicaciones para la pulverización por detonación.

Las funciones principales de los recubrimientos por pulverización de detonación son proteger contra la corrosión (debido al bajo contenido de oxígeno), la abrasión y la adhesión bajo carga baja. ^{[ 7 ]} Esto significa que la pulverización de detonación produce recubrimientos duros y duraderos que son adecuados para: ^{[ 5 ]}

• Varios componentes de maquinaria general: ejes, sellos, bujes, cojinetes, sellos ^{[ 8 ]}
• Aviación:
  • Álabes del rotor y del estator
  • componentes del motor ^{[ 2 ]}
  • rieles guía
• Industria del petróleo y el gas:
  • Casquillos y anillos de sellado de unidades ESP
  • válvulas de compuerta
  • válvulas de cierre
  • superficie de trabajo de las herramientas de perforación
• industria de cohetes espaciales
• Industria electrónica y radio
• Ingeniería de instrumentos
• Industria de herramientas
  • Brocas tubulares ^{[ 5 ]}
  • Cuchillas para rebajar caucho y plástico
• industria de la construcción naval
• Calibres de tapón y anillo chapados en D-gun

La pulverización por detonación tiene algunas limitaciones, que son las siguientes:

• La pulverización por detonación crea un recubrimiento que se adhiere principalmente de forma mecánica, a diferencia de la adhesión metalúrgica, que es un tipo de unión mucho más fuerte.
• La pulverización por detonación es un proceso que requiere visión directa, lo que significa que, por lo general, los componentes deben recubrirse antes de su uso o ensamblaje. Esto se debe a que la pistola de detonación necesita tener acceso a la superficie para aplicar un recubrimiento eficaz.
• Si bien los recubrimientos son considerablemente resistentes a la compresión, son débiles bajo tensión, lo que significa que no se pueden aplicar a componentes maleables o expansivos.
• Los recubrimientos tienden a fatigarse bajo cargas puntuales.
• Los cañones de detonación son bastante grandes y ruidosos. ^{[ 12 ]}
• La pulverización por detonación debe realizarse en un lugar específicamente diseñado para ello, ya que la pistola es bastante grande y se trata de un proceso ruidoso que genera un ruido considerable. Por este motivo, suele instalarse en una sala insonorizada (con paredes de hormigón de 45  cm de espesor).
• El proceso implica una cantidad considerable de mecanización y automatización porque el operador no puede estar en la sala mientras la pistola D está en funcionamiento. ^{[ 5 ]}

La pulverización con pistola de detonación, como cualquier otro proceso industrial, conlleva una serie de riesgos que deben gestionarse correctamente para garantizar la seguridad del operario durante su uso. Estas precauciones se dividen principalmente en las siguientes categorías, y las técnicas de minimización de riesgos sugeridas, en algunos casos, tienen un efecto positivo en el recubrimiento resultante. Por ejemplo, la automatización del proceso de pulverización permite obtener un recubrimiento muy uniforme y consistente.

Polvo y humos

La pistola D atomiza la materia prima en polvo en partículas extremadamente pequeñas (entre el 80 % y el 95 % del total de partículas tienen un tamaño inferior a 100  nm). Esto significa que se requieren instalaciones de extracción adecuadas para garantizar la seguridad por inhalación. Asimismo, se recomienda aislar la pistola D para evitar que los operarios inhalen el polvo y los humos peligrosos. ^{[ 14 ]} Si los operarios entran en la sala, deben usar mascarillas antipolvo o respiradores adecuados. Muchos de los compuestos utilizados como materia prima en la pulverización por detonación son perjudiciales para la salud humana si se ingieren o inhalan. Los metales en suspensión procedentes de la pistola de detonación, en particular, son dañinos para los pulmones. La exposición al cadmio, por ejemplo, puede causar daños en los riñones y los pulmones, vómitos, pérdida del conocimiento e incluso reducción de la fertilidad. ^{[ 15 ]} Además, estudios recientes han demostrado que metales pesados ​​como el plomo, el níquel, el cromo y el cadmio son cancerígenos. Algunas afecciones pulmonares graves causadas por la inhalación de polvo metálico incluyen:

• Silicosis : enfermedad pulmonar causada por la inhalación de sílice presente en los compuestos de la materia prima.
• Siderosis (pulmón del pulidor de plata o pulmón del soldador), una enfermedad pulmonar causada por la inhalación de hierro presente en los compuestos de la materia prima. ^{[ 16 ]}
• Algunos estudios han demostrado que la enfermedad de Alzheimer , una afección que provoca pérdida de memoria y que es más común entre las personas mayores, está causada por altos niveles de exposición al aluminio (entre muchas otras causas). Sin embargo, estos estudios no fueron concluyentes y otros han demostrado lo contrario. ^{[ 17 ]}
• Fiebre por humos metálicos : esta afección puede presentarse en algunas personas tras la exposición a ciertos compuestos metálicos (como aleaciones u óxidos de cobre, zinc, magnesio y aluminio) que poseen un olor particularmente desagradable. Los humos se generan como subproducto al calentar los metales y pueden desencadenar una reacción similar a la fiebre que podría requerir atención médica. ^{[ 18 ]}