Conoce la técnica de proyección térmica con plasma

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Por definición, los recubrimientos son la región superficial de un material con propiedades diferentes de las del material base. Al aplicar un recubrimiento se busca reemplazar, proteger, modificar o lubricar superficies.

Es decir, el uso de un recubrimiento permite que el material base sea mejorado ya que le brinda propiedades como resistencia mecánica, ligereza, etc., a la vez que la superficie es optimizada para la resistencia al desgaste, fricción, o como aislamiento térmico o eléctrico, entre otras aplicaciones.

En algunos otros temas del blog hemos platicado sobre los recubrimientos y las diversas técnicas que existen para obtenerlos, en esta ocasión trataremos la técnica de proyección térmica con plasma para obtener recubrimientos, entre ellos el de tipo cerámico.

El proceso de proyección térmica consiste en la aportación de materiales proyectados en forma de partículas fundidas finamente divididas, sobre un substrato debidamente preparado.

El material a proyectar es fundido mediante la energía obtenida a partir de la combustión de gases. El material fundido es proyectado sobre la pieza a recubrir en estado plástico con una alta energía cinética y térmica, que ceden a la misma, provocando la unión con una fuerza depende del procedimiento, de los parámetros utilizados, del material del recubrimiento, del material del substrato y de la temperatura a lo largo de todo el proceso.

Es importante mencionar que en el proceso, el material a recubrir no debe superar los 150°C para evitar cambios estructurales.

Dentro de los recubrimientos de proyección térmica, existe la técnica de proyección por plasma.

La técnica de proyección por plasma puede ser empleada con una amplia variedad de materiales, incluidos los cerámicos. El empleo de la técnica disminuye el riesgo de degradación del revestimiento y del substrato, en comparación con otros procesos a altas temperaturas.

El dispositivo que se utiliza en la técnica de proyección por plasma es el cañón de plasma. Este dispositivo consta de dos electrodos: un cátodo en forma cónica situado en el interior de un ánodo cilíndrico que se extiende más allá del cátodo, formando una boquilla en su extremo. La refrigeración de los electrodos durante el proceso se realiza por medio de circuitos con agua en circulación en su interior, lo que evita la fusión de dichos electrodos. El cañón se activa cuando un impulso de corriente crea un arco entre los dos electrodos. A la vez, un gas inerte fluye a través del espacio entre los dos electrodos, el cual es ionizado gracias al arco del interior. De esta forma, el gas se transforma en un conjunto de iones, es decir, en plasma (gas ionizado). En la figura 1 se puede observar gráficamente.


Figura 1: Descripción del dispositivo de proyección térmica con plasma.
Fuente: Abelló Linde.

El material que del revestimiento es transportado por medio de un gas portador e inyectado en la llama de plasma. La llama de plasma acelera las partículas de polvo inyectadas, fundiéndose debido a la elevada temperatura del plasma. Posteriormente, las gotas del material fundido salen dirigidas hacia la superficie del material a ser recubierto, allí se acumulan y solidifican originando un recubrimiento grueso y compacto.

Los gases que se utilizan son principalmente argón y nitrógeno, junto con un gas secundario que puede ser hidrógeno o helio.

El tamaño de partícula del polvo oscila entre 5 y 60 milímetros, un tamaño superior al recomendado provocaría que las partículas no se fundieran y por lo tanto no se adhirieran. En el caso contrario, un tamaño inferior al adecuado puede producir la vaporización de las partículas.

Para determinar los parámetros del flujo de gas se toma en cuenta el diámetro de la manguera de transporte, la densidad del polvo, el tamaño y forma del polvo y la densidad del gas portador. Además, la velocidad de salida del plasma que se encuentra alrededor de 600 m/seg.

Cuando las partículas de polvo fundidas llegan al substrato, colisionan con él. Si el substrato está limpio y con la rugosidad adecuada, la adhesión será óptima.

Hoy en día se proyectan por plasma varios cerámicos y metálicos, entre ellos:

  • Cerámicos: alúmina (Al2O3), óxido de cromo (Cr2O3), zirconia (ZrO2), dióxido de titanio (TiO2), etc.
  • Metales puros: molibdeno, titanio, talio, aluminio, zinc, etc.
  • Aleaciones: NiCr NiCrAlY, FeCrBSiC, acero, bronce, etc.

Según la composición, combinación, características y relaciones de los diferentes componentes del material a proyectar se obtienen, mediante proyección por plasma, capas con distintas cualidades, las cuales no se pueden conseguir con los procedimientos tradicionales de recubrimiento ni con los materiales masivos habituales.

Como material base se puede emplear todo tipo de acero, fundición gris y nodular, aleaciones de níquel y cobalto, metales ligeros y sus aleaciones como aluminio, magnesio y titanio, cobre y sus aleaciones. Así como materiales cerámicos y ciertos plásticos, previo análisis.

El proceso posrecubrimiento se utiliza para mejorar las características del depósito. El acabado, textura, densidad y composición son propiedades que pueden ser modificadas según la función del recubrimiento. El proceso más común es la densificación del recubrimiento.

La ventaja que tienen los recubrimientos obtenidos por proyección con plasma es que, debido a la alta velocidad de las partículas, se consiguen recubrimientos de alta densidad. Además, debido a que la fuente de calor es inerte y eficiente, se minimiza la oxidación y la temperatura del plasma permite la proyección de materiales con altos puntos de fusión.
Las aplicaciones de la proyección por plasma incluyen:

  • Protección contra diferentes mecanismos de desgaste como abrasión, adhesión, erosión, etc.
  • Protección ante algunos tipos de corrosión como oxidación, corrosión por gases calientes, por atmósfera y corrosión por inmersión.
  • Aislamiento térmico.
  • Reparación de piezas con desgastes o defectos localizados.
  • Mejoramiento de superficies y decoración.

Los recubrimientos generados por la técnica de proyección térmica por plasma tienen mayor campo de aplicación, debido a que se pueden crear recubrimientos con materiales metálicos y hasta cerámicos.

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