Rubén González Rodríguez Dpto. de Ciencia y Tecnología Náutica Universidad de Oviedo. I + D + i

Transcripción

1 Rubén González Rodríguez Dpto. de Ciencia y Tecnología Náutica Universidad de Oviedo I + D + i

2 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. Recubrimientos multicapa 2. Recubrimientos progresivos 3. Modificaciones del régimen de lubricación

3 Jornada Técnica: PROYECCIÓN TÉRMICA NUEVAS PROCESOS DE PROYECCIÓN TÉRMICA

4 NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Material Zona de fusión Haz de Proyección Recubrimiento Hilo/Polvo Metales Cerámicas Cermets Polímeros Proceso Plasma Arco Llama HVOF Distancia de proyección Substrato Temperatura de la pieza: ºC

5 NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA DETONACION PLASMA Temperatura ARCO LLAMA PROYECCIÓN FRÍA Velocidad

6 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.

7 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

8 NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA Proyección fría (Cold Gas Spray) Velocidad crítica < velocidad de erosión

9 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

10 NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA DETONACION PLASMA Temperatura ARCO LLAMA WARM SPRAY COLD SPRAY Velocidad

11 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

12 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

13 NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA DETONACION PLASMA Temperatura ARCO LLAMA WARM SPRAY HVAF COLD SPRAY Velocidad

14 NUEVAS TÉCNICAS DE PROYECCIÓN TÉRMICA High Velocity Air Fuel Proceso similar al HVOF pero se emplea aire en lugar de oxígeno Aire

15 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.

16 Jornada Técnica: PROYECCIÓN TÉRMICA

17 Características de la radiación láser Coherencia Se dice que una fuente de luz es coherente cuando todas las ondasde 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.

18 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.

19 Características de la radiación láser Interacción con diferentes materiales: Absorción

20 INDUSTRIALES Taladrado Tratamientos superficiales Corte Marcado Soldadura Procesos especiales Temple Fusión Aleación Plaqueado Estereolitografías Sinterizado láser Limpieza APLICACIONES DEL LÁSER L TELECOMUNICACIONES ARTES GRÁFICAS MEDICINA METROLOGÍA CARAC. MATERIALES Almacenamiento y lectura de datos Comunicaciones por fibra óptica Sistemas de impresión Holografía Corte de tejidos Soldadura de tejidos Ablación de tejidos Medida de distancias Nivelación Medida de velocidades Tamaño de partículas Microscopia confocal Espectroscopia

21 Fusión con láser de materiales predepositados Recubrimientos superficiales con láser 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

22 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 Desventajas Alta porosidad Poca adherencia

23 Fusión con láser de materiales predepositados Recubrimientos superficiales con láser Potencia Diámetro del haz Velocidad de procesado Haz láser Densidad de potencia (W/cm 2 ): D = Pot/π(d/2) 2 Densidad de energía (J/cm 2 ): E = Pot/(d V) Tiempo de interacción (s) Dirección de avance del haz Punto focal Recubrimiento predepositado Substrato Recubrimiento refundido

24 Fusión con láser de materiales predepositados Recubrimientos superficiales con láser 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

25 Recubrimientos superficiales con láser

26 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser 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

27 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser Potencia Diámetro del haz Velocidad de procesado Caudal de polvo Densidad de polvo (g/cm 2 ) = Caudal/V d Gramos sobre el spot = Den. Polvo π(d/2) 2 Energía por masa de polvo aportada (J/g): E m = E/ Den. polvo

28 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser 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

29 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser 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.

30 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser Inyección coaxial BOQUILLA COAXIAL CANALES INTERNOS PARA POLVO FLUJO DE POLVO Y GAS PIEZA BASE GAS DE PROTEC CIÓN MATERIAL DEPOSITADO

31 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser Inyección coaxial Alineación precisa del polvo y el haz Omnidireccional Alta eficacia en el aprovechamiento del polvo

32 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser 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)

33 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser x Solapamiento: a = ancho cordón x = distancia solape G = grado de solapamiento X= (1-G) a a Objetivo Capas suaves y onduladas (fácil rectificado)

34 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser Protección anti-corrosión y anti-desgaste EJES CABEZAS DE PISTON ALABES DE TURBINAS VALVULAS DE MOTOR

35 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Recubrimientos superficiales con láser Reparación y restauración de componentes MOLDES Y MATRICES CUCHILLAS CIGÜEÑALES ENGRANAJES

36 Plaqueado superficial por láser (laser cladding) Rapid manufacturing Recubrimientos superficiales con láser

37 Jornada Técnica: PROYECCIÓN TÉRMICA INNOVACIÓN EN RECUBRIMIENTOS

38 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

39 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.

40 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