Método para recubrir materiales mediante proyección térmica de composiciones.

La presente invención se refiere a un método para recubrir materiales mediante proyección térmica de composiciones en su superficie, que comprende proyectar la composición sobre la superficie del material y someter dicho material recubierto a un tratamiento térmico por etapas, que varía la temperatura del conjunto gradualmente, de forma escalonada. Preferiblemente, la composición se proyecta mediante una de las técnicas seleccionadas dentro del grupo compuesto por: oxifuel, Plasma Spray, y oxifuel de alta velocidad (HVOF), obteniéndose recubrimientos de distintos espesores, preferiblemente en forma de capa. Otro objeto de la presente invención es cualquier material recubierto obtenible mediante el método que se describe.

Método para recubrir materiales mediante proyección térmica de composiciones

SECTOR DE LA TÉCNICA

El método de recubrimiento de materiales mediante proyección térmica en su superficie de composiciones químicas se puede utilizar en aquellas aplicaciones industriales donde sea necesario proteger materiales frente a su deterioro químico, por ejemplo por oxidación a alta temperatura, y/o mecánico, por desgaste. El campo de aplicación es muy amplio: hornos para industria cerámica, ejes de bombas para industria química y petroquímica y álabes para industria aeronáutica, etc. Asimismo, permite el recargue de piezas desgastadas, que pueden recubrirse mediante el procedimiento descrito.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La creciente demanda de productos de ingeniería para aplicaciones en elementos de maquinaria que tienen que trabajar en medios severos tanto tribólogicos como corrosivos, tales como manguitos protectores de ejes, fundas de termopares, aislantes eléctricos, ejes de bombas, rodillos de hornos de cocción en la industria cerámica, etc. requieren de diseños específicos de superficies. Mientras la textura superficial de dichos dispositivos es alcanzada mediante tratamientos mecánicos, la composición química superficial es usualmente controlada mediante modificación superficial en forma de revestimientos. Aunque hay diferentes técnicas disponibles para depositar materiales sobre cada tipo de substrato, los procesos de proyección térmica son ampliamente usados para depositar recubrimientos de diferentes espesores en varias aplicaciones industriales.

Algunas de las composiciones más conocidas para recubrir materiales frente al desgaste mecánico y la corrosión a alta temperatura son la alúmina y la superaleación MCrAlY.

Proyección térmica de recubrimientos base alúmina

Los procesos de proyección térmica comúnmente usados para proyectar recubrimientos base Al2O3 son: spray llama (OF) , plasma al aire (APS –Atmospheric Plasma Spray-) y oxifuel de alta velocidad (HVOF) .

La técnica de proyección de polvos base alúmina por spray llama (OF) tiene desventajas respecto a las técnicas APS y HVOF, en cuanto que las estructuras obtenidas son de mayor tamaño de grano, tienen mayor tamaño de grietas y porosidad. Por otro lado, esta técnica posee la ventaja de ser más económica, fácil manejo y mayor adaptabilidad a los procesos de fabricación en series cortas o de recuperación de piezas desgastadas.

La técnica de proyección térmica de polvos de alúmina, así como de superaleación por plasma tiene la ventaja de la alta temperatura alcanzada (10.000–15.000ºC) que es adecuada para fundir total o parcialmente las partículas de los polvos cerámicos (>2.000ºC) . Además la velocidad relativamente alta alcanzada por dichas partículas produce una deformación de las mismas por impacto, consiguiendo de esta forma depósitos densos con buena unión al substrato. Mediante esta técnica (APS) existe la posibilidad de que puedan formarse algunos óxidos cuando se trata de un material metálico, cosa que no ocurre con los recubrimientos cerámicos.

La técnica de proyección de polvos base alúmina, así como de superaleación por HVOF crea velocidades en las partículas de entre 300-1000 m/s, lo que produce un incremento en la fuerza de impacto que se traduce en una mayor densidad y adhesión del revestimiento. En este proceso la temperatura alcanzada es de aproximadamente 3300 ºC.

Las partículas de alúmina comercial (corindón) se presentan en la forma estable (romboédrica) , que durante la proyección térmica sufre una transformación total o parcial en fases metaestables: (cúbica) , δ (tetragonal u ortorrómbica) , θ (monoclínica) , entre otras. La formación de estas fases está favorecida por la baja velocidad de enfriamiento de los recubrimientos ya que se trata de materiales cerámicos de baja conductividad térmica.

Proyección térmica de superaleación MCrAlY

Los recubrimientos de superaleación MCrAlY proyectados térmicamente son usados como capas protectoras contra la oxidación a altas temperaturas tanto de superaleaciones base Ni como de aceros inoxidables austeníticos.

Los recubrimientos MCrAlY poseen excelente resistencia a corrosión seca y a oxidación a altas temperaturas. Estos recubrimientos forman una capa de óxido sobre la superficie exterior, e inmediatamente bajo esta capa el material se empobrece en aluminio; asimismo, se forma una zona de interdifusión en el contacto con el sustrato.

Los dos procesos más importantes para aplicar este recubrimiento son la deposición física de vapor por haz de electrones (EBPVD) y el plasma spray (PS) . El proceso EBPVD produce una estructura de cristales perpendiculares a la superficie del sustrato, y esta estructura puede mejorarse al cerrarse los defectos por tratamientos mediante shot peening y tratamientos con láser. Por su parte, el proceso PS es llevado a cabo en cámaras de baja presión para minimizar la formación de óxidos al depositar la aleación.

Durante el proceso de oxidación de los recubrimientos MCrAlY, los granos de fase β rica en aluminio se

convierte en islas de fase ´, dejando la fase matriz menos resistente a oxidación.

El objeto de la presente invención es el desarrollo de nuevos métodos de recubrimiento de materiales con composiciones químicas proyectadas mediante proyección térmica, de tal forma que el material obtenido presente una capa de recubrimiento que sea capaz de combinar alta resistencia a la corrosión a altas temperaturas y al desgaste.

En definitiva, la presente invención surge como una necesidad de mejorar los métodos de recubrimiento mediante proyección térmica de composiciones actualmente existentes, que permita su uso en condiciones más exigentes desde el punto de vista de resistencia a oxidación a alta temperatura y al desgaste abrasivo. Esto permite bien obtener un mayor rendimiento de sistemas que operan a alta temperatura, por incremento de ésta, bien aumentar la vida en servicio de los componentes.

Otra de las aplicaciones es el reciclaje de piezas que hayan sufrido desgaste y que dejan de ser aptas para su puesta en servicio, ya que permite el recargue de las mismas mediante la proyección térmica de la composición química según el método descrito.

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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método para recubrir materiales mediante proyección térmica de...

1. Método para recubrir materiales mediante proyección térmica de una composición química, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

- proyectar la composición química de recubrimiento sobre la superficie del material, y

- someter el material previamente recubierto a un tratamiento térmico por etapas que comprende:

· incrementar gradualmente la temperatura durante un intervalo de tiempo comprendido entre 5 y 10 minutos, incluidos ambos límites, desde temperatura ambiente a un valor comprendido entre 500ºC y 600ºC, incluidos ambos límites;

· mantener la temperatura alcanzada en la etapa anterior durante un intervalo de tiempo comprendido entre 15 y 40 minutos, incluidos ambos límites;

· incrementar gradualmente la temperatura por segunda vez durante un intervalo de tiempo comprendido entre 5 y 10 minutos, incluidos ambos límites, a un valor comprendido entre 700ºC y 900ºC, incluidos ambos límites;

· mantener la temperatura alcanzada durante un intervalo de tiempo comprendido entre 15 minutos y 40 minutos, incluidos ambos límites;

· incrementar gradualmente la temperatura por tercera vez durante un intervalo de tiempo comprendido entre 5 y 10 minutos, incluidos ambos límites, a un valor comprendido entre 1000ºC y 1150ºC, incluidos ambos límites;

· mantener la temperatura alcanzada durante un intervalo de tiempo comprendido entre 200 minutos y 250 minutos, incluidos ambos límites; y

· disminuir gradualmente la temperatura hasta un valor comprendido entre 20ºC y 90ºC, incluidos ambos límites.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la composición química se proyecta sobre la superficie del material mediante una de las técnicas seleccionadas dentro del grupo compuesto por: oxifuel, Plasma Spray y oxifuel de alta velocidad (HVOF) .

3. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la composición forma una capa de recubrimiento sobre el material con un espesor comprendido entre un 10% y un 30% del espesor total del material a recubrir.

4. Método de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado por que la capa de recubrimiento presenta un espesor igual o inferior al 25% del espesor total del material a recubrir.

5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el tratamiento térmico por etapas comprende:

- incrementar gradualmente la temperatura durante 7 minutos desde temperatura ambiente hasta alcanzar 570ºC;

- mantener la temperatura alcanzada durante 20 minutos;

- incrementar gradualmente la temperatura por segunda vez durante 10 minutos hasta alcanzar 860ºC;

- mantener la temperatura alcanzada durante 20 minutos;

- incrementar gradualmente la temperatura por tercera vez durante 15 minutos hasta alcanzar 1100ºC;

- mantener la temperatura alcanzada durante 240 minutos; y

- disminuir gradualmente la temperatura hasta temperatura ambiente, en un tiempo de 70 minutos.

6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la composición química de recubrimiento es de tipo metálico o una mezcla de metal y carga cerámica.

7. Material recubierto obtenible a partir del método descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.