TERMORROCIADO

Termorrociado
Definición

Material de Alimentación
       Características         Soportes o substrato
s Propiedades

Procesos de Termorrociado

 Procesos de Combustión
  Rociado por llama     Rociado por HVOF Rociado por Detonación

Procesos  Eléctricos
Rociado por Arco Eléctrico
Rociado por Plasma

 

 

 

Se conoce como Termorrociado al grupo de procesos donde un material de alimentación es calentado y propulsado como partículas individuales o gotas hacia una superficie.

La pistola de Termorrociado genera el calor necesario usando:

  • Gases combustibles

  • Un Arco eléctrico.

  • Un Plasma

Mientras el material es calentado, este cambia a un estado plástico o fundido y es comprimido y acelerado hacia la superficie  usando gas comprimido. Las partículas chocan contra la superficie formando finas placas que se adhieren a las irregularidades de la  superficie preparada y entre ellas mismas formando el recubrimiento  

Material de Alimentación

El material de alimentación puede ser cualquier sustancia que pueda ser fundida incluyendo metales, compuestos metálicos, cerments, óxidos, vidrios y polímeros.

El Material se puede rociar en forma de:

  •  polvos,

  • alambres o barras

 

Características

En la figura se presenta la sección transversal,  de una superficie recubierta con este método.  UN aspecto crítico es la porosidad presente en el revestimiento, esta puede variar de un 20% hasta un mínimo de 1% el cual es muy difícil de alcanzar. Dependiendo de las condiciones también pueden aparecer las partículas no fundidas, que por alguna razón no llegaron a la temperatura de fusión y fueron incorporadas al recubrimiento, esta generalmente interrumpe la continuidad del mismo y disminuye su fuerza cohesiva. Cuando se rocían metales o aleaciones, parte de ellos se pueden oxidar y aparecen entonces inclusiones de óxidos en el recubrimiento. Esto no siempre es malo, inclusive, un alto porcentaje de óxidos en el recubrimiento puede mejorar la dureza y resistencia del mismo

Fig1. Sección trasversal de una superficie recubierta por Termorrociado

Soportes o Sustratos

Este tipo de recubrimiento puede en virtualmente en casi cualquier tipo de material: metales, cerámicas, vidrios , polímeros, materiales compuestos, etc. la característica esencial de un soporte es que debe presentar cierta rugosidad, de forma tal que el recubrimiento pueda adherirse de forma adecuada. El enlace entre el sustrato y el recubrimiento puede ser mecánico, químico, metalúrgico o una combinación de estos.

El método de preparación de la superficie debe seguir los siguientes pasos:

  • Limpiar la superficie ya sea con ultrasonido, utilizando solventes, o cualquier otro método, de forma tal que se asegure que la misma está libre de grasa, óxidos o cualquier otra partícula extraña a la misma.

  • Creación de la rugosidad, esto se hace como se dijo anteriormente para aumentar la adherencia de la capa, ya que sirve de anclaje mecánico y aumenta la superficie de contacto. esto generalmente se hace por Granallado, proceso en el cual se proyectan partículas de un material abrasivo sobre la superficie a recubrir.

  • En metales, a veces se realizan procesos de pasivación en los que se crea una capa de óxido natural sobre la superficie para mejorar la adherencia.

  • Otros materiales como compuestos y polímeros pueden necesitar preparaciones especiales.

Propiedades

Las propiedades del recubrimiento, dependen del material de alimentación, del proceso de Termorrociado,  de los parámetros de aplicación y del postratamiento del recubrimiento.

  • Dureza, densidad y Porosidad:

Los recubrimientos por Termorrociado, suelen utilizarse por su alto grado de dureza relativo a los paint coatings. Su dureza y resistencia a la erosión los hace especialmente valiosos en aplicaciones del alto desgaste. 

La dureza y densidad de los recubrimientos por Termorrociado son usualmente menores que las del material del cual se hizo el recubrimiento

En general, a mayor velocidad de partícula mas duro y denso será el recubrimiento. la velocidad de partícula para los distintos procesos, en orden decreciente es: detonación, ion, high-velocity oxygen flame (HVOF), arco por plasma, arco por alambre y  rociado por llama.

La densidad también depende de la temperatura de la partícula y del tipo de gas de atomización utilizado. La porosidad también depende del tipo de proceso de termorrociado de los parámetros utilizados y del material utilizado.

  •  Resistencia a la corrosión:

Para aplicaciones en muy altas temperaturas y para exposición química, el recubrimiento por Termorrociado debe ser muy resistente a la corrosión. para esta aplicaciones el recubrimiento ofrece una barrera resistente a la corrosión que protege el substrato.

  •  Adhesión:

Este tipo de recubrimientos puede tener muy alta adhesión, algunos recubrimientos especiales usados para aplicaciones de alto desgaste aplicados con procesos de alta velocidad de partícula pueden llegar a tener adhesiones tensiles de 34000 KPa.

Procesos de Termorrociado

Los proceso de Termorrociado pueden ser de dos tipos, los cuales a su vez tienen otras subdivisiones:

  • Procesos de Combustión

            Rociado por Llama

            Rociado por HVOF  

            Rociado por Detonación.

  • Procesos Eléctricos

            Proyección al arco eléctrico

            proyección de Plasma                                                   

Procesos de Combustión:

Rociado por Llama: Es la forma más antigua de Termorrociado, puede ser usada con una gran variedad de materiales de alimentación, incluyendo alambres de metal, barras de cerámica, polvos metálicos y no metálicos. El material es alimentado continuamente hacia la pistola donde es fundido en una llama de combustible gaseoso y propulsado hacia el substrato en una corriente de gas atomizante. Algunos gases usados como combustible son: Acetileno y  Propano. El aire es generalmente utilizado como gas atomizante.

Las llamas de oxiacetileno son usadas extensivamente para Termorrociado con barras debido al grado de control y las altas temperaturas ofrecidas por estos gases. Además  esta llama puede ser ajustada para ser oxidante, neutra o reductora.

La instalación de un sistema de rociado por llama es relativamente económico y móvil. Para una instalación simple todo lo que se requiere es una antorcha de rociado por llama y una fuente de oxígeno y gas combustible.

Debido a sus bajas velocidades de proyección de partículas comparado con otros procesos de Termorrociado, este tipo de recubrimientos generalmente es de menor calidad, tienen alta porosidad y bajas fueras cohesivas y adhesivas.

Una de las aplicaciones mas comunes para este tipo de recubrimientos es en protección contra la corrosión.

En la siguiente figura se presenta un esquema de un sistema de Termorrociado por llama con alimentación en polvo.

Figura 2:  Esquema de un sistema de Termorrociado por llama con alimentación en polvo.  

Rociado por HVOF (High Velocity Oxygen Fuel):  Es uno de los métodos mas nuevos de Termorrociado, utiliza oxígeno y un gas como combustible a altas presiones. Algunos gases combustible típicos son propano, propileno e hidrógeno. la mezcla de gases es acelerada a velocidades supersónicas y el material de alimentación en forma de polvo es inyectado dentro de la llama. El proceso minimiza la entrada térmica y maximiza la energía cinética para producir recubrimientos que son realmente densos, con baja porosidad y alta fuerza de enlace.

Este proceso esta íntimamente relacionado al rociado por llama., pero una diferencia esencial entre ellos es es que en el rociado por llama el procesos de combustión se realiza en el aire ( ambiente), mientras que en el HVOF la combustión se realiza en una pequeña cámara. Debido a las altas presiones creadas en la cámara de combustión, los gases salen a velocidades supersónicas, y aceleran las partículas fundidas. Estas, aunque no alcanzan las velocidades de los gases, alcanzan altas velocidades con las que chocan en la superficie obteniendo un recubrimiento de alta calidad.

Este tipo de rociado se usa  extensivamente para aplicaciones que requieran alta resistencia a la abrasión

Figura 3: Esquema de un sistema de rociado HOVF.

Rociado por Detonación: Este proceso es diferente del rociado por llama, en el se usa un proceso de combustión continuo con una serie de explosiones intermitentes que funden y proyectan las partículas hacia la superficie.  En la cámara hay una mezcla de oxígeno, acetileno y el material en polvo del cual se hará el recubrimiento, y las detonaciones se hacen varias veces por segundo. El material es depositado a  muy altas velocidades para producir recubrimientos muy densos y con altas durezas. El procedimiento se repite hasta obtener el espesor de recubrimiento deseado. El procedimiento alcanza niveles de ruido que exceden los 140 decibeles y or lo tanto debe realizarse en habitaciones a prueba de sonido y de explosiones. Los recubrimientos obtenidos con este método son de excelente calidad, pero con un costo muy alto. Algunas aplicaciones típicas son: recubrimientos de alta resistencia a la abrasión y de altas temperaturas.

Figura 4: Esquema de un proceso de rociado por  detonación

Procesos Eléctricos

Proyección al arco eléctrico:

Es generalmente el método de Termorrociado más económico. En este proceso se usa una corriente eléctrica para generar la energía térmica necesaria para fundir los materiales. Este proceso utiliza dos barras de metal como alimentación. Estos dos metales actúan como electrodos que son continuamente consumidos mientras se funden debido al arco eléctrico presente entre ellos. Para que esto suceda, las dos barras deben estar cargadas eléctricamente, una negativa y otra positiva y dispuestas de tal forma que el ángulo entre ellas se reduzca gradualmente. Una diferencia de potencial entre 15 y 50 voltios  es aplicada  y el calor que se genera funde las puntas de las barras y el gas atomizante proyecta las gotas hacia el substrato. Este gas atomizante es generalmente  aire comprimido, pero también se puede usar un gas inerte como Nitrógeno o Argón. La combinación de las altas temperaturas del arco (6000K) y las altas velocidades de las partículas ( 100 m/seg) producen recubrimientos con  mayor fuerza de enlace y menor porosidad que el rociado por llama.

Tiene aplicaciones tan variadas como recubrimientos  de grandes estructuras como puentes, postes de luz, etc, y de componentes electrónicos, etc.

Figura 5: Esquema de un proceso de rociado por arco electrico.

Proyección de plasma

Este proceso utiliza un arco eléctrico DC para generar un flujo de plasma gaseoso ionizado con muy altas temperaturas que actúa como la fuente de calor para el rociado. El arco se forma entre dos electrodos no consumibles,  el cátodo de tungsteno y el ánodo de cobre. la antorcha es alimentada con un flujo continuo de gas inerte el cual es ionizado por el arco DC y es comprimido y acelerado por la antorcha de forma tal que sale a grandes velocidades y altas temperaturas  como un jet de plasma. El material de alimentación en forma de polvo es alimentado en este plasma donde es calentado y propulsado hacia la superficie a recubrir. Gracias a las altas temperaturas y altas energías térmicas del plasma jet, se pueden rociar materiales con alto punto de fusión tales como cerámicas y metales refractarios. Este proceso usa energías entre 40 y 100 KWatts

Este tipo de recubrimiento se usa ampliamente en partes de equipos como turbinas, en el área de compresores y cámaras de combustión

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Figura 6: Esquema del sistema de rociado por plasma:

 

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