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I + D + i

Rubén González RodríguezDpto. de Ciencia y Tecnología NáuticaUniversidad de Oviedo

Proyección Térmica11-11-2010 Gijón

INDICE1. Nuevos procesos de proyección térmica

1. Proyección Fría2. Warm spray3. HVAF

2. Aplicaciones tribológicas del láser1. Propiedades de la radiación láser. Interacción con los materiales2. Aplicaciones industriales del laser3. Recubrimientos mediante láser

Refusión láserPlaqueado láser

3. Innovación en recubrimientos1. Recubrimientos multicapa2. Recubrimientos progresivos3. Modificaciones del régimen de lubricación

NUEVAS PROCESOS DE PROYECCIÓN TÉRMICA

Jornada Técnica:PROYECCIÓN TÉRMICA


NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA

Material Zona de fusión Haz de Proyección Recubrimiento

Hilo/PolvoMetales

CerámicasCermets

Polímeros

ProcesoSubstrato

Distancia de proyección

Temperatura de la pieza: 70-150ºC

PlasmaArcoLlamaHVOF



Velocidad

Tem

pera

tura

ARCO

LLAMA

PLASMA

DETONACION

PROYECCIÓN FRÍA



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.

Proyección fría (Cold Gas Spray)




Materiales de recubrimiento•Metales: Aluminio, Titanio, Níquel, Cobre, Plata, Oro•Aleaciones: Ni-Cr, Bronce, Latón, MCrAlY

http://www.cgt-gmbh.com/gun.html



Velocidad crítica < velocidad de erosión





•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



Velocidad

Tem

pera

tura

ARCO

LLAMA

PLASMA

DETONACION

COLD SPRAY

WARM SPRAY


La técnica de Cold Spray tiene dificultades para conseguir temperaturas por encima de los 800K.La temperatura de fusión y de cambio de fase de muchos materiales inorgánicos esta entornoa los 800~1500 K.La cohesión y densificación esta controlada por propiedades mecánicas dependientes de latemperatura.


Warm Spray

La baja capacidad de deformación del titanio se traduce en recubrimientos más porosos comparado con otros materiales como el aluminio o el cobre


Se denomina Warm Spray a un proceso similar al de HVOF en el cual la temperatura de lacombustión 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


Warm Spray



Velocidad

Tem

pera

tura

ARCO

LLAMA

PLASMA

DETONACION

COLD SPRAY

WARM SPRAYHVAF



High Velocity Air Fuel

Proceso similar al HVOF pero se emplea aire en lugar de oxígeno

Aire


©2009 Kermetico, Inc.

•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


High Velocity Air Fuel

APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER



La longitud láser consiste en una única longitud de onda, adiferencia de la luz blanca, que es una combinación de todos loscolores o longitudes de onda.


La direccionalidad es la propiedad de concentrar toda la luz láser en un rayo estrecho que se propague en una única dirección.

Se dice que una fuente de luz es coherente cuando todas lasondas de luz poseen la misma frecuencia y están en fase.

Características de la radiación láser

Coherencia

Direccionalidad y divergencia

Monocromaticidad


•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 PJ a J.






Interacción con diferentes materiales: Absorción


Almacenamiento y lectura de datosAlmacenamiento y lectura de datos

INDUSTRIALESINDUSTRIALES

TELECOMUNICACIONESTELECOMUNICACIONESTELECOMUNICACIONES

METROLOGÍAMETROLOGMETROLOGÍÍAA

TaladradoTaladrado TempleTemple

APLICACIONESDEL LÁSER

APLICACIONESAPLICACIONESDEL LDEL LÁÁSERSER

MEDICINAMEDICINAMEDICINA

ARTES GRÁFICAS

ARTES ARTES GRGRÁÁFICASFICAS

CARAC.MATERIALES

CARAC.CARAC.MATERIALESMATERIALES

Comunicaciones por fibra ópticaComunicaciones por fibra óptica

Sistemas de impresiónSistemas de impresión

HolografíaHolografía

Ablación de tejidosAblación de tejidos

Soldadura de tejidosSoldadura de tejidos

Corte de tejidosCorte de tejidos

Medida de velocidadesMedida de velocidades

NivelaciónNivelación

EspectroscopiaEspectroscopia

Medida de distanciasMedida de distancias

Microscopia confocalMicroscopia confocal

Tamaño de partículasTamaño de partículas

Procesos especialesProcesos especiales

MarcadoMarcado

SoldaduraSoldadura

CorteCorte

Tratamientos superficialesTratamientos superficiales

EstereolitografíasEstereolitografías

LimpiezaLimpieza

Sinterizado láserSinterizado láser

FusiónFusión

AleaciónAleación

PlaqueadoPlaqueado

Almacenamiento y lectura de datosAlmacenamiento y lectura de datos

INDUSTRIALESINDUSTRIALES

TELECOMUNICACIONESTELECOMUNICACIONESTELECOMUNICACIONES

METROLOGÍAMETROLOGMETROLOGÍÍAA

TaladradoTaladrado TempleTemple

APLICACIONESDEL LÁSER

APLICACIONESAPLICACIONESDEL LDEL LÁÁSERSER

MEDICINAMEDICINAMEDICINA

ARTES GRÁFICAS

ARTES ARTES GRGRÁÁFICASFICAS

CARAC.MATERIALES

CARAC.CARAC.MATERIALESMATERIALES

Comunicaciones por fibra ópticaComunicaciones por fibra óptica

Sistemas de impresiónSistemas de impresión

HolografíaHolografía

Ablación de tejidosAblación de tejidos

Soldadura de tejidosSoldadura de tejidos

Corte de tejidosCorte de tejidos

Medida de velocidadesMedida de velocidades

NivelaciónNivelación

EspectroscopiaEspectroscopia

Medida de distanciasMedida de distancias

Microscopia confocalMicroscopia confocal

Tamaño de partículasTamaño de partículas

Procesos especialesProcesos especiales

MarcadoMarcado

SoldaduraSoldadura

CorteCorte

Tratamientos superficialesTratamientos superficiales

EstereolitografíasEstereolitografías

LimpiezaLimpieza

Sinterizado láserSinterizado láser

FusiónFusión

AleaciónAleación

PlaqueadoPlaqueado




Substrato

RecubrimientoLáser Zona aleada

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

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



DesventajasAlta porosidad

Poca adherencia


• Potencia

• Diámetro del haz

• Velocidad de procesado

Densidad de potencia (W/cm2): D = Pot/π(d/2)2

Densidad de energía (J/cm2): E = Pot/(d•V)

Tiempo de interacción (s)

Substrato

Punto focal

Haz láser

Dirección de avance del

haz

Recubrimiento refundido

Recubrimiento predepositado

Substrato

Punto focal

Haz láser

Dirección de avance del

haz

Recubrimiento refundido

Recubrimiento predepositado





• Reducción de porosidad. Sellado de recubrimientos.• Unión metalúrgica con el substrato•Mejor resistencia a la corrosión

Substrato

Recubrimiento Zona refundida

Características geométricas� a: ancho � p: profundidad� p*:penetración





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



Plaqueado superficial por láser (laser cladding)


• Potencia• Diámetro del haz• Velocidad de procesado• Caudal de polvo

Densidad de polvo (g/cm2) = Caudal/V •d

Gramos sobre el spot = Den. Polvo •π(d/2)2

Energía por masa de polvo aportada (J/g): Em= E/ Den. 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




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.




Inyección lateral de polvo


PIEZA BASE

FLUJO DE POLVO Y GAS

MATERIAL DEPOSITADO

GAS DE PROTECCIÓN

CANALES INTERNOS PARA POLVO

BOQUILLA COAXIAL




Inyección coaxial


• Alineación precisa del polvo y el haz• Omnidireccional• Alta eficacia en el aprovechamiento del polvo




Inyección coaxial


a

l

hshc

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)

• Capas con mínima dilución• Capas libres de poros y grietas• Mantener dureza del substrato y valores del recubrimiento aceptables• Solapamiento uniforme entre cordones





x

a

x

a

Solapamiento:� a = ancho cordón� x = distancia solape � G = grado de solapamiento

Objetivo� Capas suaves y onduladas (fácil rectificado)




X= (1-G) a





Protección anti-corrosión y anti-desgaste

EJESCABEZAS DE PISTON

ALABES DE TURBINAS

VALVULAS DE MOTOR





Reparación y restauración de componentes

MOLDES Y MATRICES

CUCHILLAS CIGÜEÑALES ENGRANAJES





Rapid manufacturing

INNOVACIÓN EN RECUBRIMIENTOS



INNOVACIONES EN RECUBRIMIENTOS

MULTICAPA

Recubrimientos 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



GRADUAL

Recubrimientos graduales

Recubrimiento de aluminio reforzado en la zona superior con alúmina.

La composición del recubrimiento no es homogénea. Algunos compuesto cambian suconcentración a medida que se penetra en la capa


X

U


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



Modificaciones del régimen de lubricación

Texturizado láser sobre recubrimientos relazados por láser cladding

I + D + i

Rubén González RodríguezDpto. de Ciencia y Tecnología NáuticaUniversidad de Oviedo

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