ES2224942T3 - Revestimiento cuasicristalino desgastable. - Google Patents
Revestimiento cuasicristalino desgastable.Info
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Abstract
Un revestimiento pulverizado térmicamente formado por una aleación que contiene cuasicristales, constando la aleación esencialmente de, en porcentaje en peso, alrededor de 10 a 45 Cu, alrededor de 7 a 22 Fe, alrededor de 0 a 30 Cr, alrededor de 0 a 30 Co, alrededor de 0 a 20 Ni, alrededor de 0 a 10 Mo, alrededor de 0 a 7, 5 W y el resto aluminio con impurezas circunstanciales y que tiene menos que 30 por ciento en peso de la fase y por lo menos 65 por ciento en peso de la fase y teniendo el revestimiento una macrodureza menor que 90 HR15Y.
Description
Revestimiento cuasicristalino desgastable.
El presente invento se refiere a aleaciones de
cuasicristales de
aluminio-cobre-hierro y en
particular a revestimientos desgastables de cuasicristales que
presentan propiedades de baja fricción.
Los cuasicristales son materiales cuya estructura
no puede entenderse dentro de la metodología cristalográfica
clásica. Estas estructuras cuasiperiódicas tienen un orden de
orientación de largo alcance, pero falta una periodicidad
transicional. Los cristales convencionales constan de copias
repetidas de una disposición atómica geométrica
individual-una célula unidad apilada sobre otros
bloques similares. Por otra parte, los cuasicristales, mientras que
también se construyen a partir de un único tipo de grupos atómicos,
se diferencian en que los grupos adyacentes se traslapan,
compartiendo átomos con sus vecinos. Cuando los grupos se traslapan
compartiendo átomos (relleno cuasiperiódico), producen redes
atómicas más densas que los patrones de relleno convencionales,
periódicos y repetidos.
La estructura no periódica de los cuasicristales
produce un amplio intervalo de propiedades físicas no obtenidas
anteriormente incluidas dentro de un material individual. Los
cuasicristales presentan pobre conductividad térmica, mientras
permanece estable hasta alrededor de 1.100ºC. Así, una capa delgada
en una superficie conductora de calor distribuirá igualmente el
calor, eliminando "lugares calientes". Estos revestimientos
duros promueven la resistencia al uso y al rayado. Además, debido a
sus bajos coeficientes de fricción y estructura electrónica (baja
energía superficial), poseen propiedades no adhesivas. Finalmente,
ofrecen resistencia tanto a la corrosión como a la oxidación.
Los investigadores han identificado más de
ochocientas aleaciones diferentes de cuasicristales. Muchas de estas
aleaciones contienen una combinación de aluminio, cobre y hierro.
Estas aleaciones de Al-Cu-Fe
producen un cuasicristal icosahédrico específico, identificado en
porcentaje atómico como Al_{65}Cu_{20}Fe_{15}. (Nota: Esta
memoria descriptiva expresa todas las composiciones en porcentaje en
peso, a menos que se indique específicamente de otra manera).
Además, en algunos casos, estas aleaciones contienen elementos
aleables adicionales tales como, cromo, cobalto y níquel. Esto
permite alojar la aleación en condiciones de funcionamiento
específicas. Por ejemplo, Dubois et al., en el documento de
patente de EE.UU. Nº 5.204.191 describe varias aleaciones de
Al-Cu-Fe que contienen fases
cuasicristalinas.
Sin embargo, sin reparar en la química, los
cuasicristales no se prestan por sí mismos a la fabricación
convencional. No pueden formarse o fundirse fácilmente; sin
embargo, pueden reducirse a polvo y pulverizarse térmicamente para
formar un revestimiento adherente, útil. Que se sepa, sin embargo,
ninguna de estas aleaciones tienen un uso comercial general
establecido.
Es un objetivo de este invento producir un
revestimiento de una aleación de cuasicristales de
Al-Cu-Fe con una dureza disminuida
para mejorar la desgastabilidad.
Es un objetivo adicional de este invento,
producir un revestimiento de una aleación de cuasicristales de
Al-Cu-Fe que tiene una alta
estabilidad a la temperatura y resistencia a la oxidación.
Un revestimiento pulverizado térmicamente formado
por una aleación que contiene cuasicristales, constando la aleación
esencialmente de, en porcentaje en peso, 10 a 45 Cu, 7 a 22 Fe, 0 a
30 Cr, 0 a 30 Co, 0 a 20 Ni, alrededor de 0 a 10 Mo, 0 a 0,75 W y
el resto, aluminio con impurezas circunstanciales. La aleación
contiene menos que 30 por ciento en peso de la fase \Psi y por lo
menos 65 por ciento en peso de la fase \delta. El revestimiento
tiene una macrodureza menor que 90 HR15Y.
El revestimiento consta de una aleación de
Al-Cu-Fe resistente al desgaste que
tiene menos que 30 por ciento en peso de la fase \Psi y por lo
menos 65 por ciento en peso de la fase \delta, pulverizado
térmicamente a una velocidad subsónica suficiente para impedir
cantidades excesivas de la fase \Psi dura. Ventajosamente, la
aleación contiene por lo menos alrededor alrededor de 70 por ciento
en peso de la fase \delta. Más ventajosamente, esta aleación
contiene menos que alrededor de 10 por ciento en peso de la fase
\Psi y por lo menos alrededor de 80 por ciento en peso de la fase
\delta. El revestimiento pulverizado térmicamente posee una
excelente desgastabilidad y fuerza de unión. Ventajosamente, el
revestimiento tiene una fuerza de unión de por lo menos alrededor
de 7 MPa (1 ksi). Además, esta aleación cuasicristalina contiene
cromo o cobalto para resistencia a la corrosión.
El aluminio, cobre, hierro y cromo se fundieron a
vacío y se atomizaron con un gas inerte. El polvo se analizó, en
porcentaje en peso, 17,5 Cu, 13,3 Fe, 15,3 Cr y el resto, aluminio.
Este polvo era totalmente esférico y fluye libre. La Tabla 1
enumera las propiedades típicas del polvo del cuasicristal de
AlCuFeCr atomizado con gas inerte después de formarse.
Debido a la estructura enrejada aperiódica de la
aleación, la difracción de rayos X (XRD) identificó los
cuasicristales. Las posiciones del cuasicristal o fase
(icosahédrica (\Psi)) están aproximadamente a 23, 25, 41, 44, 62,5
y 75 - un icosahedro es un polígono que tiene 20 caras y un
decágono es un polígono que tiene 10 ángulos y 10 caras. Como se ha
atomizado, el polvo formado mostró sólo una cantidad minoritaria de
la fase \Psi. Más bien, predominó una fase decagonal (\delta).
La presencia de dos (2) fases se atribuyó a la velocidad de
enfriamiento experimentada yendo de líquido a sólido. La velocidad
de enfriamiento, la solidificación posterior de las partículas en
polvo, influyó mucho en el equilibrio de la fase resultante. A
velocidades muy rápidas, se forma la \Psi metaestable; si la
solidificación se atrasa, la fase \delta o su forma aproximada.
El análisis térmico diferencial (DTA) realizado en el polvo indicó
una temperatura de fusión de alrededor de 1.044ºC.
Cuando se reduce a polvo, estos cuasicristales
facilitan la pulverización térmica con varios tipos de equipos.
Esto incluye plasma, HVOF, detonación y otros tipos de equipos de
pulverización térmica. Sin embargo, para este ejemplo, se seleccionó
el plasma como el único medio de aplicación. El equipo usado para
aplicar los revestimientos fue la pistola de plasma
SG-100 de Praxair. La pistola se montó en un brazo
robot IRB 2400 de ABB para facilitar la pulverización automática y
asegurar la consistencia. El generador de plasma se configuró para
funcionar en modo subsónico. El hardware utilizado se registra en
la Tabla 2.
Estos revestimientos subsónicos se aplicaron y se
evaluaron por macrodureza (HR15Y); microestructura; incluyendo una
densidad y contenido en óxido como se ha determinado usando
análisis de imagen; aspereza superficial; XRD para distribución de
fases y ensayo de tracción/unión. Basado en la macrodureza y la
fuerza de unión, se obtuvo un conjunto optimizado de parámetros de
pulverización. Junto con la velocidad transversal de la pistola, se
dieron seis parámetros activos y controlables a intervalos altos y
bajos. La Tabla 3 ilustra los parámetros controlados.
Los revestimientos a partir del revestimiento
subsónico produjo una distribución HR15Y en el intervalo de 81,6 a
85,8. Construyendo una tabla de respuesta, se calcularon los
parámetros para dos (2) revestimientos - uno para cada extremo del
espectro de dureza. Las durezas pronosticadas fueron 81,5 (baja) y
86,5 (alta). Ambos grupos de parámetros se pulverizaron; los
resultados se encuentran en la Tabla 4.
La Tabla 5 de abajo ilustra las excelentes
propiedades desgastables conseguidas con la pulverización térmica
subsónica de la aleación cuasicristalina.
Basado en la naturaleza porosa de estos
revestimientos subsónicos, no se intentó realizar el ensayo de
microdureza. El registro XRD en los dos revestimientos subsónicos
parecen similares, casi parecido al polvo de partida. Ambos
revestimientos son predominantemente \delta con un pico \Psi
débil en 42. La metalografía del revestimiento ilustró la presencia
de agrietamiento "trans-splat".
\newpage
La Tabla 6 de abajo proporciona
"aproximadamente" la composición del revestimiento pulverizado
térmicamente, en porcentaje en peso.
Las propiedades de dureza y fuerza de unión
dirigidas inicialmente para la modificación, se mejoraron
apreciablemente. Por ejemplo, la dureza mejoró desde los niveles
HR15N para la pulverización térmica convencional a un nivel menor
que alrededor de 90 HR15Y. Ventajosamente, la aleación tiene una
dureza menor que alrededor de 85 HR15Y. Más ventajosamente, la
aleación tiene una dureza de alrededor de 65 a 85 HR15Y. Los
cuasicristales tienen una conductividad térmica muy pobre y además
cualquier nivel de energía térmica de entrada debería considerarse
cuando se pulveriza.
Estos revestimientos cuasicristales
"blandos" proporcionan excelentes refuerzos desgastables de
barrera térmica. Además, es posible mejorar la desgastabilidad y
lubrificación con la adición de polímeros (tales como, nylon,
poliamidas y poliésteres), nitruro de boro, nitruro de boro chapado
(níquel o cromo) y grafito revestido con níquel.
El revestimiento retiene por lo menos 65 por
ciento en peso de la fase \delta y limita la fase \Psi a menos
que 30 por ciento en peso para asegurar una aleación desgastable
blanda. Este revestimiento puede pulverizarse tanto sobre sustratos
metálicos como no metálicos. Finalmente, la aleación cuasicristalina
incorpora fácilmente adiciones de cromo y cobalto para mejorar la
resistencia a la oxidación a alta temperatura.
Claims (10)
1. Un revestimiento pulverizado térmicamente
formado por una aleación que contiene cuasicristales, constando la
aleación esencialmente de, en porcentaje en peso, alrededor de 10 a
45 Cu, alrededor de 7 a 22 Fe, alrededor de 0 a 30 Cr, alrededor de
0 a 30 Co, alrededor de 0 a 20 Ni, alrededor de 0 a 10 Mo, alrededor
de 0 a 7,5 W y el resto aluminio con impurezas circunstanciales y
que tiene menos que 30 por ciento en peso de la fase \Psi y por
lo menos 65 por ciento en peso de la fase \delta y teniendo el
revestimiento una macrodureza menor que 90 HR15Y.
2. El revestimiento de la reivindicación 1, en el
que el revestimiento tiene una macrodureza menor que 85 HR15Y.
3. El revestimiento de la reivindicación 1, en el
que la aleación contiene por lo menos alrededor de 70 por ciento en
peso de fases \delta.
4. El revestimiento de la reivindicación 1, en el
que el revestimiento contiene partículas blandas seleccionadas del
grupo que consta de polímeros, nitruro de boro, nitruro de boro
chapado y grafito revestido con niquel.
5. Un revestimiento pulverizado térmicamente
formado por una aleación que contiene cuasicristales, constando la
aleación esencialmente de, en porcentaje en peso, alrededor de 12 a
24 Cu, alrededor de 10 a 20 Fe, alrededor de 5 a 25 Cr, alrededor
de 0 a 20 Co y por lo menos alrededor de 10 Cr y Co total, alrededor
de 0 a 15 Ni, alrededor de 0 a 7,5 Mo, alrededor de 0 a 6 W y el
resto aluminio con impurezas circunstanciales y que tienen menos
que 30 por ciento en peso de la fase \Psi y por lo menos 65 por
ciento en peso de la fase \delta y teniendo el revestimiento una
macrodureza menor que 90 HR15Y.
6. El revestimiento de la reivindicación 5, en el
que el revestimiento tiene una macrodureza menor que 85 HR15Y y la
aleación contiene por lo menos alrededor de 70 por ciento en peso
de la fase \delta.
7. El revestimiento de la reivindicación 5, en el
que el revestimiento contiene partículas blandas seleccionadas del
grupo que consta de polímeros, nitruro de boro, nitruro de boro
chapado y grafito revestido con níquel.
8. Un revestimiento pulverizado térmicamente
formado por una aleación que contiene cuasicristales, constando la
aleación esencialmente de, en porcentaje en peso, alrededor de 15 a
20 Cu, alrededor de 10 a 16 Fe, alrededor de 10 a 20 Cr, alrededor
de 0 a 10 Co, alrededor de 0 a 10 Ni, alrededor de 0 a 5 Mo,
alrededor de 0 a 5 W y el resto aluminio con impurezas
circunstanciales y que tiene menos que 30 por ciento en peso de la
fase \Psi y por lo menos 65 por ciento en peso de la fase \delta
y teniendo el revestimiento una macrodureza menor que 90 HR15Y.
9. El revestimiento de la reivindicación 8, en el
que el revestimiento tiene una macrodureza de alrededor de 65 a 85
HR15Y y la aleación contiene menos que 10 por ciento en peso de la
fase \Psi y por lo menos alrededor de 80 por ciento en peso de la
fase \delta.
10. El revestimiento de la reivindicación 9, en
el que el revestimiento contiene partículas blandas seleccionadas
del grupo que consta de polímeros, nitruro de boro, nitruro de boro
chapado y grafito revestido con níquel.
Applications Claiming Priority (2)
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