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
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Proyección Térmica
NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA
DETONACION
Temperatura
PLASMA
ARCO
LLAMA
PROYECCIÓN FRÍA
Velocidad
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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.
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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
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Proyección Térmica
NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA
Proyección fría (Cold Gas Spray)
Velocidad crítica < velocidad de erosión
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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
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Proyección Térmica
NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA
DETONACION
Temperatura
PLASMA
ARCO
LLAMA
WARM SPRAY
COLD SPRAY
Velocidad
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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
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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
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Proyección Térmica
NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA
DETONACION
Temperatura
PLASMA
ARCO
LLAMA
WARM
SPRAY
HVAF
COLD SPRAY
Velocidad
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NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA
High Velocity Air Fuel
Proceso similar al HVOF pero se emplea aire en lugar de oxígeno
Aire
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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
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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.
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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.
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APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER
Características de la radiación láser
Interacción con diferentes materiales: Absorción
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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
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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
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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
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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
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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
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APLICACIONES TRIBOLÓGICAS DEL LÁSER
Recubrimientos superficiales con láser
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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