La presente invención describe un procedimiento para la obtención de recubrimientos metálicos muy porosos sobre un sustrato mediante proyección térmica de material fundido asistido por láser que comprende:

focalización del haz láser sobre la superficie del material precursor; extracción del material fundido mediante la inyección de un chorro de gas, forma oblicua con respecto al haz láser y en régimen supersónico formando un flujo bifásico (material fundido/gas), desplazamiento relativo del haz láser con respecto al material precursor y sustrato para recubrir de forma continua el material sustrato. Los recubrimientos porosos generados por dicho procedimiento así como un dispositivo adecuado para su puesta en práctica son también objeto de esta invención.

Método de obtención de recubrimientos porosos mediante proyección térmica asistida por láser.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un método para obtener recubrimientos metálicos muy porosos, como por ejemplo aceros, aluminio, cobre y aleaciones, sobre un sustrato, mediante la aplicación de una radiación láser.

Mediante esta nueva técnica objeto de la presente invención, es posible obtener recubrimientos con un elevado grado de porosidad de materiales metálicos como aceros, aluminio, cobre y aleaciones, etc sobre materiales cerámicos como la cordierita, siendo el rendimiento de deposición muy elevado, pudiendo tener el sustrato cualquier tipo de forma geométrica y sin ser necesario, que el material de aporte se encuentre en forma de polvos. Para llevar a cabo esta técnica no es necesaria preparación alguna del material cerámico a recubrir ni tampoco del material precursor con el que vamos a llevar a cabo el recubrimiento.

Antecedentes de la invención

La aplicación de recubrimientos cerámicos sobre un substrato metálico con objeto de mejorar su resistencia al desgaste o a la corrosión viene siendo objeto de estudio durante décadas. Sin embargo, pocos esfuerzos han sido encaminados a la posibilidad de obtener recubrimientos metálicos sobre un material cerámico.

Asimismo, la obtención de materiales celulares, materiales con un elevado grado de porosidad, ha sido objeto de un intensivo estudio en las últimas décadas ya que estos presentan una serie de propiedades muy interesantes, como por ejemplo: elevada dureza, bajo peso, baja conductividad eléctrica y térmica, resistencia al fuego, apantallamiento acústico,... propiedades que los capacitan como excelentes candidatos para ser utilizados en aplicaciones muy diversas como por ejemplo: materiales estructurales ligeros, materiales para la absorción de impactos en diferentes elementos de un automóvil o en aplicaciones de apantallamiento térmico.

La obtención de tales materiales celulares requiere, en general, seguir un complejo proceso de elaboración ya que se necesita normalmente un cierto tiempo de preparación en una atmósfera controlada en la cual, presión, temperatura, tipo de gas, etc. han de ser los adecuados; por otro lado, suele ser imprescindible la utilización de materiales adicionales tales como los llamados agentes espumantes, los cuales son los que van a generar en última instancia la porosidad.

La utilización de recubrimientos porosos sobre materiales cerámicos presenta unas perspectivas muy interesantes ya que este tipo de recubrimientos pueden actuar, por ejemplo, como pantallas térmicas de materiales cerámicos que son usados en hornos, revestimiento de piezas para motores, cámaras de combustión, etc.

Descripción de la invención

La presente invención presenta una nueva técnica basada en la tecnología láser para la obtención de recubrimientos metálicos con un elevado grado de porosidad sobre un material cerámico.

La presente técnica consiste en la aplicación combinada de un haz láser de alta potencia sobre el material precursor con el objeto de fundirlo y un chorro gaseoso con una elevada velocidad y direccionalidad con objeto de transportar dicho material fundido hasta la superficie de la pieza a recubrir en forma de pequeñas partículas o microhilos. Tras impactar estas micropartículas o microhilos con tan elevada velocidad, permanecen fuertemente adheridos sobre el material a recubrir. La realización de sucesivas pasadas, permite obtener un recubrimiento con una elevada rugosidad y un alto grado de porosidad.

La presente patente ofrece las siguientes ventajas:

- Elevada eficiencia de deposición.

- No es necesaria una atmósfera controlada.

- Tanto el material precursor como el sustrato no requieren una preparación previa.

- El material precursor se alimenta en forma de lámina, placa o varilla, por lo que no es necesaria su utilización en forma de polvo con granulometría controlada como en otras técnicas.

- La integración del sistema de recubrimiento permite una fácil automatización e integración en sistemas de fabricación flexible.

Otras posibles aplicaciones de este tipo de recubrimientos pueden ser su utilización como disipador de calor, como catalizadores químicos, como absorbentes de impactos (siendo esto muy interesante en el caso de los materiales cerámicos ya que, como es bien sabido, presentan una baja resistencia frente a impactos. Por tanto, mediante la deposición de un recubrimiento poroso de este tipo y con un cierto espesor, sobre un material cerámico, este podría soportar impactos de mayor magnitud que aquellos que podría soportar sin estar recubierto).

Realización preferente de la invención

La obtención de recubrimientos porosos sobre materiales cerámicos se lleva a cabo mediante un sistema tal como el que se representa en la figura 1. Este método consiste básicamente en lo siguiente: El haz láser (1) es conducido por medio de un sistema de guiado, tal como fibra óptica o espejos, en función del tipo de fuente láser que empleemos, hasta el material precursor (8). Hemos de disponer de un sistema que establezca un movimiento relativo entre el haz láser (1) y el material precursor (8). Este movimiento relativo puede llevarse a cabo moviendo el haz láser (1) y permaneciendo el reposo el material precursor (8) o a la inversa, moviendo el material precursor (8) y permaneciendo en reposo el haz láser (1). A su vez el material sustrato (9), a recubrir, se ha de situar a cierta distancia del sistema anterior y sobre un soporte que bien puede ser móvil o estático con respecto al material precursor. Los mencionados sistemas móviles pueden consistir en un robot de cualquier tipo, en una mesa de coordenadas de cualquier tipo, o en una combinación de ambos sistemas. Este sistema ha de encontrarse conectado a un sistema de control automático de posición tanto del material precursor (8) como de la pieza a recubrir (9), que, por ser de uso común en equipos industriales, no se muestra en la figura.

Esta técnica requiere que el material precursor sea fundido. Para ello, el haz láser (1) debe ser focalizado por medio de un; sistema focalizador (2) con el objeto de concentrar la mayor cantidad de energía posible en la mínima área. Este sistema de focalización (2) puede consistir tanto en un par de espejos, uno de ellos plano y el otro parabólico por ejemplo, como en una simple lente o combinaciones de ellas. El sistema de focalización (2) se ha de seleccionar como aquel más apropiado en función del tipo y potencia del láser que vayamos a utilizar.

Para llevar a cabo el proceso de recubrimiento se necesita además de la acción de un haz láser (1), un chorro de gas (5) de elevada velocidad y direccionalidad. Dicho chorro se conseguirá mediante su aportación en régimen supersónico por medio de una boquilla convergente-divergente (4). La función de este chorro será la de extraer el material que funde el haz láser (1) en su interacción con el material precursor (8) y transportarlo hasta la superficie del material a recubrir (9). Además, debe tener una alta velocidad y direccionalidad con el objeto de que la eficiencia del proceso sea elevada y que el material extraído de la zona de interacción haz láser (1) - material precursor (8), sea transportado en forma de micropartículas o microhilos (6), parcial o totalmente solidificados y con energía cinética suficientemente elevada como para que cuando colisionen con el material a recubrir (9) se adhieran firmemente a éste. Por otra parte, el chorro de gas asistente (5) puede formar un cierto ángulo con respecto al eje del haz láser (1) para que la extracción del material fundido se lleve a cabo de una forma más apropiada. Este ángulo puede variar entre 20º y 40º.

Por tanto, a partir del movimiento relativo del haz láser focalizado (1) respecto al material precursor (8) conseguimos de forma continua material fundido que es extraído por el chorro de gas asistente (5) y transportado parcialmente solidificado en forma de micropartículas o microhilos (6) hasta la superficie del material a recubrir (9). Ya que estas micropartículas o microhilos (6) poseen una muy elevada energía cinética se adherirán firmemente a la superficie del material sustrato (9). Por último, dotando de un movimiento relativo al material sustrato (9) con respecto al sistema constituido por haz láser (1) y sistema de focalización (2), material precursor (8) y boquilla convergente-divergente (4) conseguimos, a base de realizar pasadas... [Seguir leyendo]

1. Método para la obtención de recubrimientos porosos metálicos sobre materiales cerámicos, caracterizado porque en el mismo se establecen las siguientes fases operativas:

a) posicionamiento de un material sustrato en un sistema que permita un movimiento relativo respecto de un haz láser y conectado a un equipo cualquiera de control de la posición de dicha pieza;

b) focalización del haz láser por medio de un sistema de focalización adecuado sobre un material precursor;

c) fusión del volumen de material precursor irradiado por el haz láser;

d) arrastre del material fundido por medio de un chorro de gas auxiliar trabajando en régimen supersónico;

e) transporte a elevada velocidad de dicho material fundido por medio del gas auxiliar;

f) interposición del material a recubrir a cierta distancia del material precursor de forma que éste llegue en forma de micropartícula o microhilos parcial o totalmente solidificados a su superficie;

g) movimiento relativo del material a recubrir con respecto de este chorro continuo de material fundido parcial o totalmente solidificado con el objeto de producir un recubrimiento superficial;

h) realización de varias pasadas de dicho de material fundido parcial o totalmente solidificado con el objeto de producir un recubrimiento poroso de cierto espesor.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1ª, en el cual en la fase d) el chorro de gas auxiliar es dirigido a la zona de corte formando un ángulo respecto al eje del haz láser.

3. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 2ª, en el cual el láser con el que se irradia el material precursor tiene una potencia suficiente para fundir el material precursor, preferentemente entre 500 y 3000 W.

4. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 3ª, en el cual el chorro de gas auxiliar que se aporta en la fase d) está constituido por un gas inerte, un gas oxidante o una mezcla de dichos gases.

5. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 4ª, en el cual el haz láser proviene de un láser de CO₂, de CO, de N₂, de Nd:YAG, de Er:YAG, de Nd:vidrio, de Yb:YAG; de Rubí, de HeNe, de HeCd, de HeHg, de Cu, de I, de Ar, de Kr, de diodo, de fibra, de disco, químicos, de excímeros, de alejandrita, de esmeralda o de colorante.

6. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 5ª, en el cual el material precursor se encuentra en forma de chapa, pletina, varilla, hilo o cinta.

7. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1ª a 6ª, en el cual el material precursor es un acero, aluminio, cobre o alguna de sus aleaciones.

8. Sistema de obtención de recubrimientos porosos que comprende

un láser,

un sistema de focalización (2) para focalizar un haz láser (1) proveniente del láser,

un material precursor (8),

una boquilla convergente-divergente (4) para la aportación de un chorro de gas auxiliar (5), y

al menos un sistema móvil para dotar de movimiento relativo al haz láser (1) y al material precursor (8) uno respecto al otro, estando conectado el sistema móvil a un equipo de control de posición.

9. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 8ª, en el cual el sistema de focalización (2) consiste en un par de espejos, uno de ellos plano y el otro parabólico.

10. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 8ª, en el cual el sistema de focalización (2) consiste en una lente simple, una lente de doble foco o un conjunto de lentes.

11. Un sistema de acuerdo con las reivindicaciones 8ª a 10ª, en el cual el al menos un sistema móvil para dotar de movimiento relativo al haz láser (1) y al material precursor (8) uno respecto al otro consiste en un robot, en una mesa de coordenadas, o en una combinación de ambos sistemas.

12. Un sistema de acuerdo con las reivindicaciones 8ª a 11ª, en el cual la boquilla convergente-divergente (4) que produce el chorro de gas auxiliar (5) trabajando en régimen supersónico, está conectada al sistema de control automático de la posición de la pieza de tal forma que dicha boquilla (4) se mueve sincronizadamente con el movimiento del sistema móvil.