Un método de proteger al efluente de un dispositivo de pulverización térmica que comprende el calentamiento de una fuente anular de gas de protección a una temperatura por encima de la ambiente y con dicho flujo de gas de protección rodeando substancialmente a dicho efluente de manera coaxial y estando la fuente anular para dicho gas de protección en un plano normal a dicho efluente proporcionando de ese modo dicho flujo de gas paralelo al efluente,

en donde dicha fuente anular consiste en una primera sección coaxial interior para el flujo de un primer gas que es un gas inerte que rodea substancialmente a dicho efluente y una segunda sección coaxial exterior para el flujo del segundo gas que rodea a dicho flujo interior de dicho primer gas y dicho segundo flujo se calienta a una temperatura por encima de la ambiente y las fuentes anulares para dichos gases de protección están en un plano normal a dicho efluente mientras que dichos primer y segundo flujos de gas son paralelos al efluente; en donde la temperatura de dicho gas de protección es al menos 260 °C (500 °F), medida en la línea central de la cónica de la trayectoria del flujo del gas de protección a 33 centímetros (13 pulgadas) corriente abajo desde la fuente de dicho flujo de protección y en donde dicho gas de protección es un flujo con al menos un segmento laminar de al menos 8,9 cm (3,5 pulgadas) desde la fuente de dicho flujo de efluente y en donde el segundo gas incluye un gas combustible y un gas oxidante comprendiendo una llama de combustión y productos de combustión.

Método de protección de efluentes en dispositivos de pulverización.

Campo de la Invención Esta invención se refiere en general al campo de la pulverización térmica y a la protección del efluente de pulverización térmica mediante un gas de protección que se calienta de manera que la pulverización del efluente se pueda realizar a una distancia de separación prolongada y/o proporcionar un gas combustible de protección para envolver de forma eficaz al efluente para extender la distancia de separación.

Antecedentes de la Invención En la deposición por pulverización térmica, el material en forma de polvo, alambre, o varilla se calienta hasta cerca de su punto de fusión o justo por encima y las partículas fundidas o casi fundidas se aceleran en una corriente de gas a una alta velocidad antes de impactar sobre la superficie a revestir, el substrato. Al impactar, las partículas fluyen en salpicaduras laminares delgadas y rápidamente se enfrían y solidifican. El revestimiento está formado por muchas capas de salpicaduras. Usando dispositivos de pulverización térmica se pueden depositar materiales metálicos, cerámicos, cerámico-metálicos, y algunos materiales poliméricos. Una variedad de dispositivos de pulverización térmica incluyen pulverización por plasma, por pistola de detonación, por oxi-combustible de alta velocidad, por arco de alambre, y por llama. Los revestimientos por regla general se producen moviendo el dispositivo de pulverización térmica en relación a la pieza a revestir para distribuir uniformemente el material sobre la superficie en varias pasadas. Esto ayuda a controlar la temperatura de la superficie a revestir y a controlar la tensión residual en el revestimiento.

En la deposición por pulverización de plasma un gas, por regla general en base a argón, nitrógeno, hidrógeno y/o helio, se ioniza mediante un arco eléctrico a medida que fluye a través de una boquilla en una antorcha de pulverización por plasma formando un efluente de plasma parcialmente ionizado de alta temperatura y alta velocidad. El material de revestimiento, por lo general en forma de polvo, se inyecta en el efluente de plasma y se calienta hasta cerca o justo por encima de su punto de fusión y las partículas fundidas o casi fundidas se aceleran en una corriente de gas a una alta velocidad antes de impactar en la superficie a revestir, el substrato. Al impactar, las partículas fluyen en salpicaduras laminares delgadas y rápidamente se enfrían y solidifican. El revestimiento está formado por muchas capas de salpicaduras. Se pueden depositar materiales metálicos, cerámicos, cerámicos metálicos, y algunos materiales poliméricos. Los revestimientos por regla general se producen moviendo el dispositivo de pulverización de plasma en relación a la pieza a revestir para distribuir uniformemente el material sobre la superficie en varias pasadas. Esto ayuda a controlar la temperatura de la superficie a revestir y a controlar la tensión residual en el revestimiento Los parámetros más importantes que determinan la microestructura y las propiedades de los revestimientos incluyen la temperatura de las partículas, su velocidad, la medida en la que han reaccionado con el ambiente durante la deposición, la velocidad de la deposición, el ángulo de impacto, y la temperatura del substrato y del revestimiento depositado previamente. Las partículas se calientan (con la excepción del proceso de arco de alambre) y se aceleran mediante el efluente gaseoso del dispositivo de pulverización térmica, de ese modo la temperatura y la velocidad logradas son una función, en parte, del tiempo de residencia en el efluente. Para la pulverización de plasma, las partículas se calientan y se aceleran mediante el efluente gaseoso y de ese modo la temperatura y la velocidad logradas son una función, en parte, del tiempo de residencia en el efluente. El tiempo de residencia, a su vez, se define mediante la velocidad de las partículas y la distancia (llamada distancia de separación) entre la salida del dispositivo de pulverización térmica y el substrato. La temperatura y la velocidad del efluente del dispositivo de pulverización térmica disminuyen con bastante rapidez a la salida del dispositivo. De ese modo, existe una distancia de separación óptima que permite una distancia o tiempo suficiente para que las partículas se calienten y se aceleren, pero no es tan grande para que las temperaturas y velocidades del efluente y de las partículas comiencen a disminuir de manera significativa. El ángulo de impacto puede tener una gran influencia en la microestructura y en las propiedades del revestimiento. En general, el ángulo óptimo es 90 grados o normal al substrato. A medida que el ángulo se hace más bajo, la microestructura se hace más turbulenta y menos densa. La velocidad a la que se produce esta degradación es una función, en parte, de la velocidad y de la temperatura de las partículas en el impacto. La distancia de separación eficaz y la sensibilidad al ángulo de deposición son especialmente importantes cuando se pulverizan térmicamente componentes con una forma compleja. La pulverización térmica y la pulverización de plasma son intrínsecamente una línea de proceso de vista, y el tamaño del dispositivo de pulverización y la forma de la pieza a revestir pueden limitar la proximidad a la que se puede llevar el dispositivo de pulverización a la pieza y aún mantener un ángulo permisible de deposición. De ese modo, puede no ser posible llevar al dispositivo lo suficientemente cerca de la superficie para depositar las partículas a una temperatura, velocidad y ángulo de impacto suficientes para producir un revestimiento con una microestructura adecuada.

La tensión residual en los revestimientos es una propiedad más que se debe controlar para resultados óptimos. En la mayoría de los casos se desea una baja tensión residual, pero en un caso la tensión de tracción en plano se maneja de manera controlada para producir grietas de segmentación, largas y verticales a través del grosor (Taylor, Documento de Patente de los EE.UU. de número 5.073.433) . La tensión residual surge a partir una combinación de factores. Uno de ellos es la retracción del material de revestimiento que se deposita a medida que se enfría a partir de la temperatura de solidificación Otros factores pueden incluir un mecanismo de martilleo, conforme las partículas impactan en el revestimiento y el proceso cíclico de la temperatura del revestimiento y del substrato a medida que se mueve el dispositivo de pulverización térmica sobre la pieza en su recorrido. Otra fuente de tensión en el revestimiento está relacionada con la velocidad y el grado de absorción y de disipación del calor durante la aplicación del revestimiento. Estos se controlan mediante varios medios, incluyendo el nivel de pre-calentamiento dado al substrato antes de que comience el proceso de revestimiento y la cantidad de enfriamiento auxiliar usado durante el proceso de revestimiento. Llevar a cabo y controlar el precalentamiento puede ser muy difícil, sobre todo cuando se revisten formas grandes o complejas. Sin embargo, otra fuente importante de tensión de revestimiento es el espesor de la capa depositada a medida que el dispositivo de pulverización térmica se desplaza sobre el substrato. Los factores que controlan este espesor de capa son muchos, e incluyen la velocidad de pulverización (gramos de polvo pulverizado por unidad de tiempo) , la distancia de separación, y la velocidad de barrido de la antorcha sobre el substrato. Si la velocidad de pulverización se mantiene elevada para velocidades de producción elevadas, y la distancia de separación se fija debido esencialmente a los aspectos tratados anteriormente, la mayoría de la carga del control de la tensión en el revestimiento cae en la manipulación de la velocidad de barrido relativa de la antorcha sobre el substrato, también conocida como la velocidad de superficie. Para reducir la tensión, se aumenta la velocidad de superficie, y podrían abordarse altas velocidades tales como 254 m por minuto (10.000 pulgadas por minuto) . Puede ser posible obtener estas velocidades para revestir formas simples, pero no para formas complejas, tales como los álabes de las turbina que requieren de máquinas robóticas que sólo pueden alcanzar velocidades de superficie del orden de 25, 4 m por minuto (1.000 pulgadas por minuto) para optimizar la distancia de separación y el ángulo de deposición durante el proceso de revestimiento. Si se pudiera aumentar la distancia de separación y mantener las propiedades deseadas del revestimiento, se podría reducir de forma proporcional la velocidad de superficie.

El efluente de un dispositivo de pulverización térmica, es decir,... [Seguir leyendo]

1. Un método de proteger al efluente de un dispositivo de pulverización térmica que comprende el calentamiento de una fuente anular de gas de protección a una temperatura por encima de la ambiente y con dicho flujo de gas de protección rodeando substancialmente a dicho efluente de manera coaxial y estando la fuente anular para dicho gas de protección en un plano normal a dicho efluente proporcionando de ese modo dicho flujo de gas paralelo al efluente, en donde dicha fuente anular consiste en una primera sección coaxial interior para el flujo de un primer gas que es un gas inerte que rodea substancialmente a dicho efluente y una segunda sección coaxial exterior para el flujo del segundo gas que rodea a dicho flujo interior de dicho primer gas y dicho segundo flujo se calienta a una temperatura por encima de la ambiente y las fuentes anulares para dichos gases de protección están en un plano normal a dicho efluente mientras que dichos primer y segundo flujos de gas son paralelos al efluente; en donde la temperatura de dicho gas de protección es al menos 260 °C (500 °F) , medida en la línea central de la cónica de la trayectoria del flujo del gas de protección a 33 centímetros (13 pulgadas) corriente abajo desde la fuente de dicho flujo de protección y en donde dicho gas de protección es un flujo con al menos un segmento laminar de al menos 8, 9 cm (3, 5 pulgadas) desde la fuente de dicho flujo de efluente y en donde el segundo gas incluye un gas combustible y un gas oxidante comprendiendo una llama de combustión y productos de combustión.

2. El método de la reivindicación 1, en donde dicho efluente comprende un material reactivo o un material de óxido.

3. El método de la reivindicación 1, en donde dicho efluente se deposita sobre un substrato para formar una capa de revestimiento o una capa de revestimiento con entre aproximadamente 20 y aproximadamente 200 grietas de segmentación vertical por 2, 54 cm (1 pulgada) .

4. El método de la reivindicación 3, en donde una primera capa del primer efluente se deposita utilizando un primer conjunto de condiciones para el gas de protección, y repetir este método al menos una vez con el mismo o con diferente efluente utilizando el mismo o un conjunto diferente de condiciones para el gas de protección para obtener múltiples capas de revestimiento.

5. El método de la reivindicación 1, en donde la relación del flujo total de gas de dicho gas de protección al flujo total de gas de dicho dispositivo de pulverización térmica está entre aproximadamente 0, 05 a aproximadamente 2, 0.

6. El método de la reivindicación 3, en donde dicho substrato se selecciona del grupo que consiste en componentes de turbinas de gas, motores diesel y motores de cohetes.

7. El método de la reivindicación 4, en donde dicha primera capa es una capa metálica revestida y dichas siguientes capas son capas cerámicas revestida o capas mixtas de metal-cerámica revestidas, y opcionalmente dichas capas se seleccionan del grupo que consiste en óxido de circonio, itria, hafnia, alúmina, cromia, NiCrAlY, CoCrAlY, NiCoCrAlY, CoNiCrAlY, cerámicas en base a circonio, cerámicas y sus mezclas.

8. El método de las reivindicación 1, en donde dicho gas caliente de protección que comprende un material de gas combustible de un gas que contiene carbono y un oxidante en el que la relación de carbón a oxígeno de dicho gas de protección está entre aproximadamente 0, 6 a aproximadamente 1, 0.

Anillo de 24 Orificios

Longitud de Llama Laminar, pulgadas

Flujo Total de Gas, pie3/h

Figura 1

Relación C/O

Relación C/O

Anillo de 24 Orificios

Flujo Total de Gas, pie3/h

Figura 2

Relación C/O

Anillo de 45 Orificios

Flujo Total de Gas, pie3/h

Figura 3

Relación C/O

Anillo de 45 Orificios

Flujo Total de Gas, pie3/h

Figura 4