Pulverización térmica

Las técnicas de proyección térmica son procesos de recubrimiento en los que se pulverizan materiales fundidos (o calentados) sobre una superficie. La materia prima (precursor del recubrimiento) se calienta mediante medios eléctricos (plasma o arco) o químicos (llama de combustión).

La proyección térmica permite obtener recubrimientos gruesos (con un rango aproximado de espesor de 20 micras a varios milímetros, según el proceso y el material de partida) sobre una gran superficie y con una alta tasa de deposición, en comparación con otros procesos de recubrimiento como la galvanoplastia y la deposición física y química de vapor . Entre los materiales de recubrimiento disponibles para la proyección térmica se incluyen metales, aleaciones, cerámicas, plásticos y materiales compuestos. Estos se introducen en forma de polvo o alambre, se calientan hasta alcanzar un estado fundido o semifundido y se aceleran hacia los sustratos en forma de partículas de tamaño micrométrico. La combustión o la descarga de arco eléctrico se utilizan habitualmente como fuente de energía para la proyección térmica. Los recubrimientos resultantes se forman por la acumulación de numerosas partículas proyectadas. La superficie puede no calentarse significativamente, lo que permite el recubrimiento de sustancias inflamables.

La calidad del recubrimiento se evalúa generalmente midiendo su porosidad , contenido de óxido , macro y microdureza , resistencia de la unión y rugosidad superficial . Por lo general, la calidad del recubrimiento aumenta con el incremento de la velocidad de las partículas.

Se distinguen varias variantes de proyección térmica:

• Pulverización de plasma
• Pulverización por detonación
• Pulverización por arco de alambre
• Pulverización con llama
• Pulverización de recubrimiento oxi-combustible de alta velocidad (HVOF)
• Combustible aire-aire de alta velocidad (HVAF)
• Pulverización en caliente
• Pulverización en frío
• Rocíe y fusílelo

En los procesos clásicos (desarrollados entre 1910 y 1920), pero aún ampliamente utilizados, como la proyección por llama y la proyección por arco de alambre, las velocidades de las partículas son generalmente bajas (menos de 150 m/s (490 ft/s) ), y las materias primas deben estar fundidas para poder ser depositadas. La proyección por plasma, desarrollada en la década de 1970, utiliza un chorro de plasma de alta temperatura generado por descarga de arco con temperaturas típicas superiores a 15 000 K (14 700 °C; 26 500 °F) , lo que permite proyectar materiales refractarios como óxidos, molibdeno , etc. ^{[ 1 ]}     

Un sistema típico de proyección térmica consta de lo siguiente:

• Soplete de pulverización (o pistola de pulverización): el dispositivo principal que realiza la fusión y aceleración de las partículas que se van a depositar.
• Alimentador: para suministrar el polvo , el alambre o el líquido a la antorcha a través de tubos.
• Suministro de fluidos: gases o líquidos para la generación de la llama o chorro de plasma, gases para el transporte del polvo , etc.
• Robot/Mano de obra: para manipular la antorcha o los sustratos que se van a recubrir.
• Fuente de alimentación: a menudo independiente para la linterna.
• Consola(s) de control: integrada(s) o individual(es) para todos los elementos anteriores.

El cañón de detonación consta de un cañón largo refrigerado por agua con válvulas de entrada para gases y pólvora. Se introduce oxígeno y combustible (acetileno, el más común) en el cañón junto con una carga de pólvora. Se utiliza una chispa para encender la mezcla de gases, y la detonación resultante calienta y acelera la pólvora a velocidad supersónica a través del cañón. Se utiliza un pulso de nitrógeno para purgar el cañón después de cada detonación. Este proceso se repite muchas veces por segundo. La alta energía cinética de las partículas de pólvora caliente al impactar con el sustrato produce la formación de un recubrimiento muy denso y resistente. El recubrimiento se adhiere mediante una unión mecánica resultante de la deformación del sustrato base, que envuelve las partículas pulverizadas tras el impacto a alta velocidad.

En el proceso de pulverización por plasma , el material a depositar (materia prima) —generalmente en polvo , a veces líquido , ^{[ 2 ]} suspensión ^{[ 3 ]} o alambre— se introduce en el chorro de plasma que emana de una antorcha de plasma . En el chorro, donde la temperatura es del orden de 10 000 K (9700 °C; 17 500 °F) , el material se funde y se proyecta hacia un sustrato. Allí, las gotas fundidas se aplanan, se solidifican rápidamente y forman un depósito. Comúnmente, los depósitos permanecen adheridos al sustrato como recubrimientos; también se pueden producir piezas independientes eliminando el sustrato. Existe una gran cantidad de parámetros tecnológicos que influyen en la interacción de las partículas con el chorro de plasma y el sustrato y, por lo tanto, en las propiedades del depósito. Estos parámetros incluyen el tipo de materia prima, la composición y el caudal del gas de plasma, el aporte de energía, la distancia de desplazamiento de la antorcha, el enfriamiento del sustrato, etc.   

pulverización de plasma al vacío

La pulverización por plasma al vacío (VPS) es una tecnología para el grabado y la modificación de superficies que permite crear capas porosas con alta reproducibilidad, así como para la limpieza y la ingeniería de superficies de plásticos, cauchos y fibras naturales, y también para sustituir los CFC en la limpieza de componentes metálicos. Esta ingeniería de superficies puede mejorar propiedades como el comportamiento friccional, la resistencia al calor , la conductividad eléctrica superficial , la lubricidad , la resistencia cohesiva de las películas o la constante dieléctrica , o bien puede hacer que los materiales sean hidrofílicos o hidrofóbicos .

El proceso opera normalmente a 39–120 °C (312–393 K; 102–248 °F) para evitar daños térmicos. Puede inducir reacciones superficiales no activadas térmicamente, causando cambios superficiales que no pueden ocurrir con químicas moleculares a presión atmosférica. El procesamiento de plasma se realiza en un entorno controlado dentro de una cámara sellada a un vacío medio, alrededor de 13–65 Pa (0,13–0,65 mbar ; 0,0019–0,0094 psi ) . El gas o mezcla de gases se energiza mediante un campo eléctrico desde frecuencias de CC hasta microondas , típicamente 1–500 W a 50 V. Los componentes tratados generalmente están aislados eléctricamente. Los subproductos volátiles del plasma se evacuan de la cámara mediante la bomba de vacío y, si es necesario, pueden neutralizarse en un depurador de gases de escape .      

A diferencia de la química molecular, los plasmas emplean:

• Especies moleculares, atómicas, metaestables y de radicales libres para efectos químicos .
• Iones positivos y electrones para efectos cinéticos .

El plasma también genera radiación electromagnética en forma de fotones UV de vacío que penetran en los polímeros a granel hasta una profundidad de aproximadamente 10  μm. Esto puede provocar la ruptura de cadenas y la reticulación.

Los plasmas afectan a los materiales a nivel atómico. Técnicas como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y la microscopía electrónica de barrido se utilizan para el análisis de superficies, con el fin de identificar los procesos necesarios y evaluar sus efectos. Como indicador sencillo de la energía superficial y, por lo tanto, de la adhesión o humectabilidad, se suele utilizar la prueba del ángulo de contacto de una gota de agua . Cuanto menor sea el ángulo de contacto, mayor será la energía superficial y más hidrofílico será el material.

La proyección térmica por arco de alambre es una forma de proyección térmica en la que dos alambres metálicos consumibles se introducen de forma independiente en la pistola de proyección. Estos alambres se cargan eléctricamente y se genera un arco entre ellos. El calor de este arco funde el alambre entrante, que luego es arrastrado por un chorro de aire de la pistola. Este material fundido arrastrado se deposita sobre un sustrato con la ayuda de aire comprimido. Este proceso se utiliza comúnmente para recubrimientos metálicos gruesos. ^{[ 1 ]}

Durante la década de 1980, se desarrolló una clase de procesos de proyección térmica denominada proyección oxiacetilénica de alta velocidad. Una mezcla de combustible gaseoso o líquido y oxígeno se introduce en una cámara de combustión , donde se encienden y queman continuamente. El gas caliente resultante, a una presión cercana a 1 MPa (10 bar; 150 psi) , sale a través de una boquilla convergente-divergente y recorre un tramo recto. Los combustibles pueden ser gases ( hidrógeno , metano , propano , propileno , acetileno , gas natural , etc.) o líquidos ( queroseno , etc.). La velocidad del chorro a la salida del cañón (> 1000 m/s (3300 ft/s) ) supera la velocidad del sonido . Se inyecta un polvo en la corriente de gas, lo que acelera el polvo hasta 800 m/s (2600 ft/s) . La corriente de gas caliente y polvo se dirige hacia la superficie que se va a recubrir. El polvo se funde parcialmente en el flujo y se deposita sobre el sustrato. El recubrimiento resultante tiene baja porosidad y alta resistencia de unión . ^{[ 1 ]}       

Los recubrimientos HVOF pueden tener un espesor de hasta 12 mm ( 1/2 pulgada ) . Se utiliza típicamente para depositar recubrimientos resistentes al desgaste y la corrosión sobre materiales como capas cerámicas y metálicas. Los polvos comunes incluyen WC -Co, carburo de cromo , MCrAlY y alúmina . El proceso ha tenido mayor éxito en la deposición de materiales cermet (WC-Co, etc.) y otras aleaciones resistentes a la corrosión ( aceros inoxidables , aleaciones a base de níquel, aluminio, hidroxiapatita para implantes médicos , etc.). ^{[ 1 ]}  

La tecnología de recubrimiento HVAF consiste en la combustión de propano en una corriente de aire comprimido. Al igual que HVOF, produce un chorro uniforme de alta velocidad. HVAF se diferencia por incluir un deflector térmico para estabilizar aún más los mecanismos de pulverización térmica. El material se inyecta en la corriente de aire-combustible y las partículas de recubrimiento se impulsan hacia la pieza. ^{[ 4 ]} HVAF tiene una temperatura máxima de llama de 3560 a 3650 °F (1960 a 2010 °C; 2230 a 2280 K) y una velocidad media de partícula de 3300 ft/s (1000 m/s) . Dado que la temperatura máxima de llama está relativamente cerca del punto de fusión de la mayoría de los materiales de pulverización, HVAF da como resultado un recubrimiento más uniforme y dúctil. Esto también permite un espesor de recubrimiento típico de 0,002–0,050 in (0,051–1,270 mm) . Los recubrimientos HVAF también presentan una resistencia de unión mecánica superior a 12 000 psi (83 MPa; 830 bar) . Los materiales comunes para recubrimientos HVAF incluyen, entre otros: carburo de tungsteno , carburo de cromo, acero inoxidable , Hastelloy e Inconel . Gracias a su naturaleza dúctil , los recubrimientos HVAF pueden ayudar a resistir los daños por cavitación . ^{[ 5 ]}          

La técnica de pulverización y fusión utiliza altas temperaturas para aumentar la adherencia entre el recubrimiento térmico y el sustrato de la pieza. A diferencia de otros tipos de pulverización térmica, crea una unión metalúrgica entre el recubrimiento y la superficie. Esto significa que, en lugar de depender de la fricción para la adhesión del recubrimiento, fusiona la superficie y el material del recubrimiento en un solo material. La diferencia entre adhesión y cohesión radica en el principio de la pulverización y fusión.

Este proceso generalmente consiste en rociar un material en polvo sobre el componente y luego aplicarle un soplete de acetileno. El soplete funde el material de recubrimiento y la capa superior del componente, fusionándolos. Debido a las altas temperaturas del proceso de pulverización y fusión, puede producirse cierta deformación térmica, por lo que se debe tener cuidado al determinar si un componente es apto para este proceso. Estas altas temperaturas son similares a las utilizadas en la soldadura. Esta unión metalúrgica crea un recubrimiento extremadamente resistente al desgaste y la abrasión. El proceso de pulverización y fusión ofrece las ventajas de la soldadura de recubrimiento duro con la facilidad de la pulverización térmica. ^{[ 6 ]}

La pulverización en frío (o pulverización en frío gasodinámica) se introdujo en el mercado en la década de 1990. El método se desarrolló originalmente en la Unión Soviética: mientras experimentaban con la erosión del sustrato objetivo, que estaba expuesto a un flujo bifásico de alta velocidad de polvo fino en un túnel de viento, los científicos observaron la formación rápida y accidental de recubrimientos. ^{[ 1 ]}

En la pulverización en frío, las partículas se aceleran a velocidades muy altas mediante el gas portador forzado a través de una boquilla convergente-divergente tipo De Laval . Al impactar, las partículas sólidas con suficiente energía cinética se deforman plásticamente y se adhieren mecánicamente al sustrato para formar un recubrimiento. La velocidad crítica necesaria para formar la adhesión depende de las propiedades del material, el tamaño del polvo y la temperatura. Se pueden depositar metales , polímeros , cerámicas , materiales compuestos y polvos nanocristalinos mediante pulverización en frío. ^{[ 7 ]} Los metales blandos como el Cu y el Al son los más adecuados para la pulverización en frío, pero se ha informado del recubrimiento de otros materiales (W, Ta, Ti, MCrAlY, WC–Co, etc.) mediante pulverización en frío. ^{[ 1 ]}

La eficiencia de deposición suele ser baja para polvos de aleación, y el rango de parámetros de proceso y tamaños de polvo adecuados es estrecho. Para acelerar los polvos a mayor velocidad, se utilizan polvos más finos (<20 micrómetros). Es posible acelerar las partículas de polvo a una velocidad mucho mayor utilizando un gas de procesamiento con alta velocidad del sonido (helio en lugar de nitrógeno). Sin embargo, el helio es costoso y su caudal, y por lo tanto su consumo, es mayor. Para mejorar la capacidad de aceleración, el gas nitrógeno se calienta hasta aproximadamente 900 °C (1170 K; 1650 °F) . Como resultado, la eficiencia de deposición y la resistencia a la tracción de los depósitos aumentan. ^{[ 1 ]}   

• Reacondicionamiento o acondicionamiento del cigüeñal
• Protección contra la corrosión
• protección contra la incrustación
• Alteración de la conductividad térmica o eléctrica
• Control del desgaste: ya sea mediante recubrimiento duro (resistente al desgaste) o abrasivo.
• Reparación de superficies dañadas
• Protección contra la temperatura y la oxidación (recubrimientos de barrera térmica)
• Recubrimientos de implantes médicos (mediante el uso de cerámicas derivadas de polímeros ) ^{[ 8 ]}
• Producción de materiales con gradiente funcional (para cualquiera de las aplicaciones anteriores)

La proyección térmica es un proceso de línea de visión y el mecanismo de unión es principalmente mecánico. La aplicación por proyección térmica no es compatible con el sustrato si el área sobre la que se aplica es compleja o está bloqueada por otros cuerpos. ^{[ 9 ]}

La proyección térmica no tiene por qué ser un proceso peligroso si el equipo se maneja con cuidado y se siguen las prácticas de proyección correctas. Como en cualquier proceso industrial, existen varios riesgos que el operador debe conocer y contra los que debe tomar precauciones específicas. Idealmente, el equipo debería funcionar automáticamente en recintos especialmente diseñados para extraer humos, reducir los niveles de ruido e impedir la visión directa del cabezal de proyección. Estas técnicas también producirán recubrimientos más uniformes. Hay ocasiones en que el tipo de componentes que se tratan, o sus bajos niveles de producción, requieren la operación manual del equipo. En estas condiciones, se experimentan varios riesgos propios de la proyección térmica, además de los que se encuentran comúnmente en las industrias de producción o procesamiento. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

• Lista de técnicas de recubrimiento
• Película delgada