ES2220228B1 - Mezcla de polvos para proyeccion termica, y procedimiento para la obtencion de un recubrimiento y recubrimiento obtenido. - Google Patents
Mezcla de polvos para proyeccion termica, y procedimiento para la obtencion de un recubrimiento y recubrimiento obtenido.Info
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Abstract
Mezcla de polvos para proyección térmica, procedimiento para la obtención de un recubrimiento y recubrimiento obtenido. La invención se refiere a una mezcla de polvos binaria para proyección térmica que comprende una matriz metálica de Al-Si y una fase dispersa de material polimérico que comprende por lo menos un polímero seleccionado entre una poliamida y una poliolefina. También se refiere a un procedimiento que requiere sólo un mezclado mecánico de dicha mezcla de polvos binaria seguido de la proyección térmica de la misma, así como del recubrimiento obtenido.
Description
Mezcla de polvos para proyección térmica,
procedimiento para la obtención de un recubrimiento y recubrimiento
obtenido.
La presente invención se refiere a una mezcla de
polvos binaria para proyección térmica, al procedimiento para la
obtención de un recubrimiento a partir de dicha mezcla y al
recubrimiento obtenido.
En particular, la presente invención se refiere a
una familia de polvos diseñada para ser utilizada, mediante técnicas
de proyección térmica, en la obtención de recubrimientos abradables
(recubrimientos de sacrificio mecánico) que poseen además
propiedades lubricantes.
Los materiales abradables son aquellos que
permiten obtener conformados o recubrimientos que sean fácilmente
mecanizables con aplicabilidad en ciertos sectores donde la
minimización de las tolerancias entre partes móviles es de gran
importancia. Estos recubrimientos abradables consisten en capas
mecanizables, la matriz de las cuales ha de ser relativamente blanda
y, en conjunto, el recubrimiento ha de ser poco compacto para
facilitar el arranque sin un excesivo esfuerzo ni deformación de la
pieza móvil. Es por ello que este tipo de recubrimientos se obtienen
generalmente por tecnologías de proyección térmica, que permiten
cubrir, según la técnica elegida, un amplio rango en el nivel de
compacidad de las capas.
Estos recubrimientos abradables deben cumplir una
serie de condiciones:
- \bullet
- Tener una buena adherencia con el substrato (posible utilización de estructuras bicapas, multicapas o graduales);
- \bullet
- Buena maquinabilidad;
- \bullet
- Generar, durante el corte, detritus que no resulten nocivos para el sistema y para posibles piezas móviles situadas en otras zonas;
- \bullet
- Permitir un proceso de extracción de material abradable sin deformación plástica del recubrimiento que generaría una elevada rugosidad superficial disminuyendo su sellado; y
- \bullet
- Fácil eliminación de la afinidad química entre el recubrimiento abradable y la parte móvil, para evitar fenómenos de gripaje o desgaste adhesivo, catastróficos para el sistema y, en particular, que no se adhieran a las partes móviles del sistema de modo que haya una disminución de la eficiencia del sistema móvil.
La utilización de recubrimientos abradables
obtenidos por proyección térmica ha sido previamente documentada a
nivel de patentes de invención así como de artículos científicos
publicados en revistas internacionales y es objetivo de profundo
estudio a nivel mundial debido a sus grandes aplicaciones en la
disminución de tolerancias en turbinas, entre otras. La construcción
de turbinas, sobre todo las de aviación, ha evolucionado hacia el
aumento del rendimiento lo que supone un aumento en la temperatura
de trabajo de sistema. Por tanto, los recubrimientos abradables
aplicados en turbinas están sometidos a mayores requerimientos
térmicos, así como de resistencia a la oxidación a elevadas
temperaturas y a la resistencia al desgaste por erosión de
partículas.
Algunos de los sistemas abradables propuestos en
el estado de la técnica están basados en materiales con estructura
celular o porosa (US 3689971, US 4063743, US 4526509, US 4652209),
en materiales con bajo punto de fusión donde el aumento de la
temperatura producido por la propia fricción funde el material (US
2742224 y US 3836156) y en materiales de base cerámica como la
ZrO_{2} y la MgO (US 4405284, US 4460311 y US 4669955).
La siguiente evolución de los recubrimientos
abradables consiste en la mezcla por diferentes técnicas, de
materiales tipo fluorita con matrices metálicas o cerámicas (US
4867639) o mezclas de cerámicos basados en las ZrO_{2}
estabilizados con varios materiales poliméricos termoplásticos,
termoestables y otros tipos de materiales poliméricos (US
5530050).
Otro tipo de sistemas abradables son las mezclas
formadas por tres componentes: uno de origen metálico o cerámico,
otro polimérico y un lubricante sólido. Este sistema autolubricado
terciario cubre muchos materiales metálicos (aluminio, titanio,
cobre, zinc, níquel, etc...), cerámicos (óxidos de aluminio,
titanio, zirconio, silicio y sus mezclas, perovskitas, espinelas,
etc), polímeros y lubricantes sólidos como la CaF_{2}, MgF_{2},
BaF_{2}, MoS_{2}. Todas estas combinaciones se describen en la
patente EP 0487273 A1 con prioridad US 615557 y en la patente US
5434210 que es una continuación de la patente US 615557. Por la
morfología del recubrimiento y el tipo de trabajo al que debe ser
sometido, dichas mezclas ternarias incluyen dentro de la estructura,
componentes que, por sus características, aportan al recubrimiento
propiedades lubricantes, como es el caso del grafito o determinados
polímeros. El hecho de incluir este tipo de materiales lubricantes
sólidos en el sistema, les confiere la capacidad de ser utilizados
como materiales autolubricados. Los sólidos lubricantes confieren
bajos coeficientes de fricción y mejoran la resistencia al desgaste
de los recubrimientos. Además, estos sistemas ternarios pueden
trabajar a elevadas temperaturas, condiciones en las que los
lubricantes líquidos convencionales se degradarían.
Por otro lado, existen sistemas compuestos de
Al-Si mezclado con mica en distintas proporciones
que han sido utilizados en turbinas con temperaturas de trabajo
hasta los 427ºC (WO 01/44533A1) para mejorar los anteriores sistemas
basados en Al-Si más grafito de elevada porosidad.
Sin embargo, la utilización de algunas fases ligeras, como el
grafito, presenta problemas de estabilidad dentro del haz de
proyección y la microestructura obtenida después del proceso de
proyección no es la deseada.
Un primer aspecto de la presente invención es
proporcionar una mezcla de polvos binaria para proyección térmica
que permita obtener recubrimientos abradables de bajo coeficiente de
fricción que posean además propiedades autolubricantes.
Un segundo aspecto de la invención es
proporcionar un procedimiento para la obtención de un recubrimiento
a partir de la mezcla de polvos según el primer aspecto de la
invención.
Un tercer aspecto de la presente invención es
proporcionar un recubrimiento obtenido a partir de la mezcla de
polvos según el primer aspecto de la invención.
De acuerdo con el primer aspecto de la invención,
se proporciona una mezcla de polvos binaria que comprende una matriz
metálica de Al-Si y una fase dispersa polimérica que
comprende por lo menos un polímero seleccionado entre una poliamida
y una poliolefina.
Sorprendentemente, los autores de la presente
invención han encontrado que la combinación de una matriz metálica
de Al-Si con una fase dispersa polimérica que
comprende por lo menos un polímero seleccionado entre una poliamida
y una poliolefina permite obtener un recubrimiento abradable con
buenas propiedades de fricción, a menor coste, que posee además
propiedades lubricantes.
Ventajosamente, la presencia de por lo menos un
polímero seleccionado entre una poliamida y una poliolefina en una
mezcla de polvos binaria para proyección térmica permite suprimir
la presencia del elemento
ternario-lubricante-sólido, sin que
ello vaya en detrimento de las propiedades de dichos recubrimientos
abradables, por lo que al bajo coeficiente de fricción se
refiere.
Inesperadamente, la presencia de una poliamida o
poliolefina o mezclas de las dos actúa, en una mezcla binaria para
proyección térmica, a su vez como material de sacrificio y como
lubricante sólido.
Preferiblemente, la mezcla de polvos binaria
según el primer aspecto de la invención comprende de 20 a 80% de
polvos de Al-Si y de 20% a 80% de polvos de material
polimérico, siendo dicho material polimérico una poliamida,
poliolefina o mezclas de las dos. Todavía más preferiblemente,
comprende de 60 a 80% de polvos de Al-Si y de 40% a
20% de polvos de material polimérico.
También preferiblemente, el tamaño de partícula
de la matriz metálica de Al-Si es inferior a 80
micrómetros, y el tamaño de partícula del material polimérico
inferior a 200 micrómetros. Todavía más preferiblemente, el tamaño
de partícula del Al-Si es inferior a 60 micrómetros,
y el tamaño de partícula del material polimérico inferior a 150
micrómetros.
Preferiblemente, la poliolefina de la mezcla de
polvos según la invención se selecciona entre polietileno y
polipropileno.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención
se proporciona un procedimiento para la obtención de un
recubrimiento a partir de una mezcla de polvos binaria para
proyección térmica que comprende las siguientes etapas:
i) mezclado mecánico de una mezcla de polvos
binaria que comprende una matriz metálica de Al-Si y
una fase dispersa polimérica que comprende por lo menos un polímero
seleccionado entre una poliamida y una poliolefina;
ii) proyección térmica de una gas inerte que
incluye la mezcla de polvos junto con un combustible y un gas
comburente o plasmógeno según la técnica de proyección
utilizada.
Ventajosamente, el procedimiento para la
obtención de un recubrimiento a partir de una mezcla de polvos para
proyección térmica según el primer aspecto de la invención sólo
requiere de una mezcla mecánica previa a la proyección térmica, lo
que sin duda facilita el procedimiento de obtención del
recubrimiento y, por tanto, éste puede obtenerse a menor coste.
\newpage
Preferiblemente, el mezclado mecánico se lleva a
cabo mediante molino de bolas, molino de aro, túrbula o mezcladora
de elevada energía.
También preferiblemente y a continuación de la
etapa de mezclado mecánico se lleva a cabo una etapa adicional de
deshumidificación de la mezcla con el fin de asegurar que la mezcla
de polvos a proyectar presente el grado de humedad deseado.
Para la obtención de recubrimientos a partir de
materiales en polvo mediante técnicas de proyección térmica, se
requiere la utilización de una materia prima con una granulometría
regular y bien controlada, que permita un comportamiento plástico
correcto de las partículas en el momento de incidir sobre el
substrato a recubrir. Debido a la variedad de técnicas de proyección
térmica, se debe cuidar desde un inicio la forma de obtener la
materia prima y la calidad de la misma.
Para la preparación de la mezcla de polvos e
independientemente de las proporciones de los componentes de la
misma, pueden realizarse los siguientes pasos:
- a)
- Control del tamaño de partículas previo al mezclado de los polvos;
- b)
- Tamizado mecánico para ajustar la distribución granulométrica deseada en el caso que se considere necesario;
- c)
- Mezclado mecánico de las materias primas en diversas proporciones según las propiedades deseadas a fin de homogeneizar el producto resultante. Se lleva a cabo mediante molino de bolas, molino de aro, túrbula o mezcladora de elevada energía, entre otros;
- d)
- En caso necesario, deshumidificación posterior al proceso de mezcla en estufa, por ejemplo, a 50ºC durante un tiempo variable según el volumen de polvo a utilizar; y
- e)
- Proyección de un gas inerte que incluye la mezcla de polvo a depositar, junto con un combustible seleccionado de entre propano, propileno, hidrógeno, acetileno o semejantes y un gas comburente como el oxígeno en el caso de proyección por combustión o un gas plasmágeno como argón, hidrógeno o helio en el caso de proyección por plasma.
Por un lado, el control de la granulometría de
polvos puede llevarse a cabo mediante la técnica de dispersión de
luz láser, técnica que permite detectar las irregularidades en la
distribución del tamaño de partículas. El control de la
granulometría permite asegurar un tamaño de partícula de la matriz
metálica de Al-Si inferior a 80 micrómetros,
preferiblemente inferior a 60 y un tamaño de partícula del material
polimérico inferior a 200 micrómetros, preferiblemente inferior a
150.
Por otro lado, la técnica de proyección térmica
utilizada puede ser cualquiera de las conocidas en el estado de la
técnica, en particular Plasma, Alta velocidad HVOF, Llama, Arco
Eléctrico, Plasma Transferido, entre las más conocidas.
De acuerdo con el tercer aspecto de la invención,
se proporciona un recubrimiento obtenido a partir del procedimiento
descrito anteriormente.
El recubrimiento obtenido según el procedimiento
y la mezcla de la invención posee propiedades abradables, con bajo
coeficiente de fricción, además de propiedades lubricantes.
Preferiblemente, el recubrimiento según el tercer
aspecto de la invención posee un camino de desgaste inferior a 2,4
mm, más preferiblemente inferior a 2 mm, todavía más preferiblemente
inferior a 1,8 mm, manteniendo al mismo tiempo valores de
coeficientes de fricción comparables a los coeficientes de fricción
de los recubrimientos del estado de la técnica.
También ventajosamente, la utilización de estos
recubrimientos permite reducir el impacto medioambiental de sus
aplicaciones, debido a la disminución en el uso de lubricantes
líquidos.
Además, los resultados de corrosión, realizados
sobre los recubrimientos objeto de la presente invención, han
mostrado que la resistencia a la corrosión se mejora con respecto a
la aleación de Al-Si (con un potencial de corrosión
en NaCl de -750 mV aproximadamente), por lo que la utilización de
este tipo de recubrimientos presenta una ventaja adicional comparada
con los recubrimientos del estado de la técnica.
En la figura 1 se representa gráficamente el
potencial de corrosión (mV) frente a tiempo (s) de un recubrimiento
obtenido a partir de una mezcla de polvos binaria según una
realización de la invención.
\newpage
En dicha figura 1 puede observarse la resistencia
a la corrosión que ofrece el recubrimiento según una primera
realización de la invención.
En la figura 2 se representa gráficamente el
potencial de corrosión (mV) frente a tiempo (s) de un recubrimiento
obtenido a partir de una mezcla de polvos binaria según otra
realización de la invención.
En dicha figura 2 puede observarse la resistencia
a la corrosión que ofrece el recubrimiento según una segunda
realización de la invención.
Se prepara una composición con las siguiente
formulación:
AlSi (AISI-SAE 339.0) 60%,
Poliamida 40%, considerando los porcentajes en peso. La aleación de
aluminio-silicio utilizada, para el ejemplo, tiene
una composición que va de 13-16% Si,
2,4-2,8% Cu y 0,5-0,9% Mg. Se
introducen las materias primas dentro de la tolva de alimentación,
para proceder a realizar el proceso de proyección térmica con las
siguientes condiciones:
| Amperaje (A) | Argón (slpm) | Hidrógeno (slpm) | Gas transportador | Velocidad de desplazamiento |
| (slpm) | (slpm) | |||
| 450 | 70 | 8 | 8,5 | 500 |
El número de capas aplicadas es 8 y el espesor
medio resultante está alrededor de las 620 micras.
Los recubrimientos obtenidos ofrecen homogeneidad
en la distribución estructural, son consistentes y presentan las
siguientes propiedades:
\bullet Coeficiente de fricción (Norma ASTM
G99-90, con bola de acero, carga de 5 N y
temperatura de 25ºC): = 0,069
\bullet Anchura de camino de desgaste (Norma
ASTM G99-90, con bola de acero, carga de 15 N y
temperatura de 25ºC): = 1,5 mm
\bullet Ensayo de corrosión (Circuito abierto)
realizado en medio NaCl (3,4%). Véase figura 1, donde se observa la
resistencia que ofrece el recubrimiento frente al proceso de
corrosión.
Se prepara una composición con las siguiente
formulación:
AlSi (AISI-SAE 339.0) 60%,
Poliolefina (Polietileno, PE) 40%, considerando los porcentajes en
peso. La composición de la aleación de Al-Si es
idéntica a la utilizada en el ejemplo 1. Se introducen las materias
primas dentro de la tolva de alimentación, para proceder a realizar
el proceso de proyección térmica con las siguientes condiciones:
| Amperaje (A) | Argón (slpm) | Hidrógeno (slpm) | Gas transportador | Velocidad de desplazamiento |
| (slpm) | (slpm) | |||
| 450 | 70 | 8 | 8,5 | 500 |
El número de capas aplicadas es 8 y el espesor
medio resultante está alrededor de las 620 micras.
Los recubrimientos obtenidos ofrecen homogeneidad
en la distribución estructural, son consistentes y presentan las
siguientes propiedades:
\bullet Coeficiente de fricción (Norma ASTM
G99-90, con bola de acero, carga de 5 N y
temperatura de 25ºC): = 0,089.
\bullet Anchura de camino de desgaste (Norma
ASTM G99-90, con bola de acero, carga de 15 N y
temperatura de 25ºC): = 1,4 mm.
\bullet Ensayo de corrosión (Circuito Abierto)
realizado en medio NaCl (3,4%). Véase figura 2, donde se observa la
resistencia que ofrece el recubrimiento frente al proceso de
corrosión.
Los resultados obtenidos muestran, cuando se
comparan con otros materiales similares, una clara mejora de las
propiedades de lubricación, en ambas realizaciones.
El camino de desgaste de un sistema
AlSi-Poliester da valores promedio de caminos de
desgaste de 2,4 mm y, por ejemplo, el de Al-grafito,
caminos de desgaste mayores de 3 mm, mientras que la utilización de
una mezcla binaria según la invención da valores de caminos de
desgaste de 1,4 mm y 1,5 mm, al tiempo que el coeficiente de
fricción del recubrimiento según la invención es del mismo orden de
magnitud que los coeficientes de fricción correspondientes a otros
sistemas ya utilizados.
Claims (13)
1. Mezcla de polvos binaria para proyección
térmica que comprende una matriz metálica de Al-Si y
una fase dispersa de material polimérico que comprende por lo menos
un polímero seleccionado entre una poliamida y una poliolefina.
2. Mezcla de polvos binaria según la
reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que comprende
de 20 a 80% de polvos de Al-Si y de 20% a 80% de
polvos de material polimérico, siendo dicho material polimérico una
poliamida, poliolefina o mezclas de las dos.
3. Mezcla de polvos binaria según la
reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que comprende
de 60 a 80% de polvos de Al-Si y de 40% a 20% de
polvos de material polimérico.
4. Mezcla de polvos binaria según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho
de que el tamaño de partícula de la matriz metálica de
Al-Si es inferior a 80 micrómetros.
5. Mezcla de polvos binaria según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho
de que el tamaño de partícula del material polimérico es inferior a
200 micrómetros.
6. Mezcla de polvos binaria según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho
de que el tamaño de partícula del Al-Si es inferior
a 60 micrómetros, y el tamaño de partícula del material polimérico
inferior a 150 micrómetros.
7. Mezcla de polvos binaria según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho
de que la poliolefina se selecciona entre polietileno y
polipropileno.
8. Procedimiento para la obtención de un
recubrimiento a partir una mezcla de polvos para proyección térmica
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado
por el hecho de que comprende las siguientes etapas:
i) mezclado mecánico de una mezcla de polvos
binaria que comprende una matriz metálica de Al-Si y
una fase dispersa polimérica que comprende por lo menos un polímero
seleccionado entre una poliamida y una poliolefina;
ii) proyección térmica de una gas inerte que
incluye la mezcla de polvo junto con un combustible y un gas
comburente o plasmógeno según la técnica de proyección
utilizada.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que comprende una etapa
adicional de deshumidificación de mezcla obtenida previa a la
proyección térmica.
10. Recubrimiento obtenido a partir del
procedimiento definido según cualquiera de las reivindicaciones 8 a
9.
11. Recubrimiento según la reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que presenta un camino de
desgaste inferior a 2,4 mm.
12. Recubrimiento según la reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que presenta un camino de
desgaste inferior a 2 mm.
13. Recubrimiento según la reivindicación 8,
caracterizado por el hecho de que presenta un camino de
desgaste inferior a 1,8 mm.
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| ES200301316A ES2220228B1 (es) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Mezcla de polvos para proyeccion termica, y procedimiento para la obtencion de un recubrimiento y recubrimiento obtenido. |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200301316A ES2220228B1 (es) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Mezcla de polvos para proyeccion termica, y procedimiento para la obtencion de un recubrimiento y recubrimiento obtenido. |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20041201 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2220228B1 Country of ref document: ES |
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| FD1A | Patent lapsed |
Effective date: 20101018 |