Corte Por Plasma

RECUBRIMIENTOS DE PROYECCIÓN POR PLASMA

F. E. García Costales, J. M. Cuetos Mejido.

Departamento de Construcción e Ingeniería de Fabricación

Universidad de Oviedo

1.- INTRODUCCIÓN

1.1.- Concepto de recubrimiento

Un recubrimiento puede ser definido como "una región superficial de un material con propiedades diferentes de las del material base". Los objetivos que se pretenden obtener con el empleo de los recubrimientos son básicamente reemplazar, modificar y/o lubricar superficies.

Las tres principales áreas en las que los recubrimientos han experimentado grandes avances son: el desgaste, la disminución de la fricción y las barreras térmicas.

El uso del recubrimiento permite que el material base sea optimizado para objetivos tales como resistencia mecánica, ligereza, etc., mientras que la superficie es optimizada para la resistencia al desgaste, a la fricción, o como aislamiento térmico o eléctrico entre otras aplicaciones.

1.2.- Proyección térmica

El origen de la proyección térmica data del año 1910, cuando Schoop proyectó polvo de metal fundido sobre una superficie por primera vez. El procedimiento consistía en fundir un metal en un crisol y proyectarlo atomizado, mediante un gas comprimido, sobre la superficie a recargar en la que se solidifica. Posteriormente, salió al mercado un tipo de pistola alimentada por un alambre, que atravesando una llama originada por un gas combustible y otro comburente, era fundido y proyectado sobre el material a recargar, por una corriente de aire comprimido. Actualmente, los procedimientos más utilizados son:

- Flame power (proyección de polvo por combustión).

- Flame wire (proyección de alambre por combustión).

- Wire arc (proyección de alambre por arco eléctrico).

- Plasma spray (proyección por plasma).

- Detonación

- HVOF (alta velocidad).

Fig. 1. Formación de la capa

El proceso de proyección térmica se puede definir como "la aportación de materiales proyectados en forma de partículas fundidas finamente divididas, sobre un substrato debidamente preparado".

El material a proyectar (en forma de polvo o varilla), es fundido mediante una energía obtenida a partir de la combustión de gases, de un arco voltaico o de una recombinación de gases plasmógenos, según el procedimiento empleado. El material fundido es proyectado seguidamente sobre la pieza a recubrir en estado plástico con una alta energía cinética y térmica, que ceden a la misma (Fig. 1), provocando la unión con una fuerza que va a depender del procedimiento empleado, de los parámetros utilizados, del material de aportación, del material del substrato así como de la preparación del mismo y de su temperatura antes, durante y después de la proyección. Los valores obtenidos para esta fuerza de anclaje pueden llegar a superar los 80 MPa.

Tendrán también importancia en la calidad de un recubrimiento las reacciones químicas entre partículas, el tamaño de las mismas, (lo que va a influir en la transferencia de calor al substrato), así como la forma de la pieza, la velocidad relativa de la pistola con relación a la pieza, el ángulo de incidencia de las partículas sobre la pieza, la distancia de proyección, etc..

Los pasos que se deben seguir en un proceso de proyección térmica son los siguientes:

1.- Limpieza de la superficie a recubrir.

2.- Preparación de dicha superficie (generalmente mediante un granallado con corindón sintético o granalla angular metálica).

3.- Proyección de la capa de anclaje, o de la capa directamente en el caso de que esta última sea autoanclante.

4.- Mecanizado o rectificado final del recubrimiento si es necesario.

Cabe destacar que durante el proceso de proyección térmica, el material a recubrir no debe superar los 150oC para evitar los cambios estructurales o tensiones añadidas, lo cual implica que la proyección térmica puede ser considerada como un "recargue en frío", con excepciones tales como el sinterizado.

Siendo de entre los recubrimientos de proyección térmica, el de proyección por plasma el que se ha escogido para realizar la presente conferencia, realizaremos una descripción más detallada de dicho proceso.

2.- MÉTODO DE PROYECCIÓN POR PLASMA

2.1.- Técnica de la proyección por plasma

La técnica de proyección por plasma tuvo su origen en Alemania, en los años veinte, sin embargo, no fue hasta finales de los años cincuenta, cuando comenzó el proceso a ser ampliamente usado y considerado /1/.

Esta técnica de proyección puede ser empleada con una amplia variedad de materiales, incluidos los cerámicos, y con un elevado rendimiento. Su empleo disminuye el riesgo de degradación del revestimiento y del substrato, en comparación con otros procesos a altas temperaturas.

2.1.1.- Cañón de plasma

Desde el año 1970, la técnica de la proyección por plasma ha experimentado una profunda evolución, a pesar de lo cual, el diseño del cañón empleado para la proyección de dicho plasma apenas ha sufrido modificaciones /2/.

Fig. 2. Cañón de plasma-spray

Este dispositivo, que aparece ilustrado en la figura 2, 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 unos circuitos con agua en circulación en su interior, lo que evita la fusión de dichos electrodos.

El cañón comienza a operar cuando un impulso de corriente crea un arco entre los dos electrodos. Este arco es mantenido por una corriente estacionaria de elevada intensidad y con un potencial de alrededor de 50 voltios.

Un gas inerte fluye a través del espacio comprendido entre los dos electrodos, el cual y debido al arco eléctrico establecido disocia sus moléculas en sus átomos constituyentes ionizándolos. De este modo, el gas existente en el interior del arco se transforma en un conjunto de iones y electrones muy energéticos, es decir, un plasma. La corriente en su recorrido entre los dos electrodos alcanza la boquilla del cañón, formando allí una llama de plasma. Tanto la temperatura como la velocidad de dicho plasma son muy elevadas /3/, tal como se ve en la figura 3.

2.1.2.- Inyección del polvo

El material que va a originar el revestimiento es transportado por medio de un gas portador, e inyectado en la llama de plasma, pudiendo estar el inyector de polvo situado en el interior o en el exterior de la boquilla.

La llama de plasma, acelera las partículas de polvo inyectadas,

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