ES2233492T3

ES2233492T3 - Proceso para la fabricacion de componentes de baja densidad, con un substrato de matriz metalica o polimerica y recubrimiento de ceramica y o metal-ceramico y los componmentes de baja densidad con una alta resistencia superficial obtenidos con ellos.

Info

Publication number: ES2233492T3
Application number: ES00987630T
Authority: ES
Inventors: Pietro Centro Sviluppo Materiali S.p.A. GIMONDO; Carlo Centro Sviluppo Materiali S.p.A. COSTA
Original assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: US20030108679A1; JP2003518196A; AU2396601A; US6727005B2; EP1254276B1; ATE283933T1; IT1307298B1; EP1254276A1; DE60016466D1; DE60016466T2; ITRM990769A0; ITRM990769A1; WO2001046487A1

Abstract

Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad con una alta resistencia superficial, que disponen de un substrato de matriz polimérica o metálica y un revestimiento cerámico y/o metálico-cerámico, en el que el substrato de baja densidad a recubrir presenta una relación de módulo de elasticidad con respecto al peso específico del mismo orden de 25 GPa/kg/dm3 y está sujeto a las siguientes fases: * mecanizado de las superficie a fin de proporcionar una tensión por compresión residual en la capa exterior; * estabilización térmica a una temperatura inferior a 350ºC; * aplicación sobre la superficie exterior mediante técnicas de pulverización en caliente a una temperatura entre 70 y 350ºC de una capa de revestimiento de un material cerámico o metal-cerámico con una resistencia superficial más elevada que la del componente a recubrir; y * acabado de la superficie de la capa recubierta con un tratamiento de acabado.

Description

Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad, con un substrato de matriz metálica o polimérica y recubrimiento de cerámica y/o metal-cerámico y los componentes de baja densidad con una alta resistencia superficial obtenidos con ellos.

La presente invención se refiere a un proceso para la fabricación de componentes de baja densidad, que disponen de un substrato de matriz metálica o polimérica, acabada con un recubrimiento cerámico y/o cerámico-metálico, capaz de mejorar los comportamientos de los componente en cualquier situación, en los que se requiera alta resistencia superficial. El proceso al que hace referencia esta invención permite la aplicación sobre los mencionados substratos de revestimientos de protección duros, como p.ej., de aquellos cerámicos basados en carburo, boruro-nitruro, capaces de mejorar considerablemente la resistencia superficial del material estructural subyacente, de baja densidad.

Como se sabe, para la aplicación en los campos industriales de la aeronáutica y del espacio subsiste la necesidad de disponer de compuestos capaces de competir con las altas prestaciones de los aceros, que ya están exhibiendo unos pesos específicos más bajos.

Las patentes EP-A-0.164.617, DE 35 27 912 A, US 5.521.015 descubren el proceso de la aplicación por proyección o pulverizado de un revestimiento que presenta una superior resistencia que la del substrato correspondiente de baja densidad.

La presente invención permite satisfacer la necesidad anteriormente mencionada aparte de proporcionar otras ventajas que más adelante se señalarán.

De hecho, la presente invención se refiere a un proceso para la fabricación de componentes de baja densidad, que disponen de un substrato de matriz polimérica o metálica, y un revestimiento cerámico y/o cerámico-metálico, en el que el substrato de baja densidad a recubrir presenta una relación de módulo de elasticidad con respecto al peso específico del mismo orden de 25 GPa/kg/dm^{3} y está sujeto a las siguientes fases:

* mecanizado de la superficie a fin de proporcionar una tensión o fatiga residual por compresión en las capas exteriores;

* estabilización térmica a una temperatura inferior a 350ºC;

* aplicación sobre la superficie exterior, con técnicas de pulverizado en caliente a una temperatura del orden de 70º a 350ºC, de una capa de revestimiento de un material cerámico y/o metálico-cerámico con una resistencia superficial superior a la del componente a ser recubierto; y

* acabado de la superficie de la capa de recubrimiento con un tratamiento de acabado.

La superficie a mecanizar, a fin de generar una tensión o fatiga residual por compresión en las capas exteriores del componente a revestir, consiste en un tratamiento seleccionado de entre un grupo de ellos entre los que figura el chorreado a bolas y/o el chorro de arena y/o combinación de ambos.

El tratamiento de acabado de la superficie de la capa de revestimiento consiste en un mecanizado seleccionado entre el grupo consistente en un amolado, pulido, revolteado, rodado y la combinación de ellos.

Las técnicas para pulverizado en caliente se seleccionarán de entre un grupo que comprenden el pulverizado en caliente a alta velocidad (HVOF, oxy-fuel de alta velocidad) el pulverizado de plasma (VPS- pulverizado de plasma al vacío, CAPS-pulverizado de plasma bajo atmósfera controlada, APS, HPPS), pulverizado a la llama (FS), arco de plasma por transferencia (PTA), pulverizado por arco (AS), y la combinación de ellos.

La capa recubierta pulverizada en caliente presenta un espesor comprendido entre 100 y 4.200 \mum, siendo su dimensión preferida de 100 a 500 \mum.

La capa de revestimiento se selecciona de entre un grupo que consiste en WC-M,CrC-M, TIC-M, BN-M, SIC-M en donde M es la matriz metálica seleccionada de entre un grupo compuesto por Ni, Co, NiCr, NiCr-FeBSi, NiCrCuMoWB.

Se ha observado que pueden obtenerse unos resultados satisfactorios con la presente invención, adoptando materiales de baja densidad, que exhiban un valor de E/p (módulo de elasticidad/peso específico) del mismo orden que el la referencia 17-4PH acero (E/p = 25 Gpa/kg/dm^{3}).

Por consiguiente, metales ligeros, como el aluminio y el titanio, las aleaciones Ti/Al, y los compuestos de matriz metálica de los mismos y los compuestos de matriz polimérica confeccionados (generalmente empleando fibras previamente sumergidas en una matriz polimérica) demostraron su idoneidad para aplicarse como substratos en la presente invención.

Con respecto a los compuestos de matriz metálica, se consiguieron resultados satisfactorios con compuestos elaborados a partir de matrices de aluminio cargadas con un porcentaje del orden del 10 al 20% de carburo de titanio (resultando un módulo E superior y un coeficiente de expansión térmica \alpha también superior con respecto al aluminio puro) y un compuesto elaborado con titanio cargado con un 10 al 20% de carburo de titanio. La relación E/p de estos compuestos es de 28,6 y 28,2 GPa/kg/dm^{3}, respectivamente. Si se desean comparar las características de estos materiales, tiene que señalarse que la aleación de aluminio AA7075 y la aleación de titanio T6A14V presentan valores E/p de 26,7 y 24,2, respectivamente (véase la comparación que se relaciona en la Tabla 1)

TABLA 1

1

Con respecto a los materiales compuestos, sus propiedades dependerán de la matriz y de la selección de relleno fibrilar.

En este caso, las fibras de carbono que presentan un módulo de elasticidad del orden de 160 (bajo módulo) a 725 (muy alto módulo) resultan especialmente interesantes. Muy prometedores son, p.e., los compuestos de carbono-carbono confeccionados con fibras de carbono en una matriz de carbono, presentando un módulo de elasticidad del orden de 125 a 220 GPa. Estos materiales tienen una densidad de 1,3-1,6 kg/ dm^{3}, y por esta razón arrojan valores \geq 78 (GPa/kg/ dm^{3}) E/p.

Otro relleno fibrilar con altas posibilidades son las fibras de boro, que presentan un módulo de elasticidad del orden de 400 GPa, si bien también hay que decir que, tienen un precio más elevado con respecto p.ej., a las fibras de carbono (aproximadamente 2 veces con respecto a las de alto módulo).

Otro aspecto crucial que necesita ser reconsiderado con respecto al relleno fibrilar es el referente a las fibras de vidrio, que presentan un módulo de elasticidad del orden de 69 a 86 GPa con densidades de 2,4-2,6 kg/ dm^{3}, y por ello aparentemente no útiles para diversos campos industriales aeronáuticos y espaciales.

La selección de matrices para el material compuesto merece ser tenida mucho más en cuenta. En este sentido, tiene que remarcarse que se obtuvieron unos resultados satisfactorios con la polieteretercetona, comercialmente conocida como PEEK, y con una resina epoxi.

Las características de estas dos resinas se relacionan en la Tabla 2 y en la Tabla 3, respectivamente.

TABLA 2

2

3

\vskip1.000000\baselineskip

TABLA 3

4

TABLA 3 (continuación)

5

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 * \+  \begin{minipage}[t]{120mm}Ensayos realizados entre placas
de vidrio y UV post-reticulado durante 30 minutos en
PCA-250.\end{minipage} \cr  ** \+
 \begin{minipage}[t]{120mm}Ensayos llevados a cabo con SLA
(WEAVE) y UV post-reticulado durante 30 minutos en
PVA-250.\end{minipage} \cr}

En el caso de materiales compuestos de matriz polimérica, las técnicas más prometedoras para el revestimiento por pulverizado en caliente son la pulverización plasma (PS) y la oxy-fuel de alta velocidad (HVOF), dado que ésta presenta una carga termomecánica baja con respecto a otras tecnologías de pulverización en caliente. Por el contrario, para los compuestos de matriz metálica a revestir, las técnicas de pulverización presentan un impacto termomecánico muy pequeño al respecto.

La invención no se limita al proceso para la fabricación, sino que se extiende también a los componentes de baja densidad, a los de elevada resistencia superficial, y a los componentes recubiertos así obtenidos.

De momento se ha proporcionado una descripción general de la presente invención. Con la ayuda de la única figura anexa (fig.1) y de los ejemplos que seguirán a partir de ahora, se facilitará una descripción más detallada de las formas de ejecución específicas con la intención de hacer más comprensibles los objetos, las características, las ventajas y los métodos de operación empleados.

La Fig. 1 corresponde a una vista en perspectiva de un grupo recirculante a bolas, compuesto por una corredera P, recubierta con el sistema de ejecución correspondiente al proceso al que se refiere la presente invención y un cursor a bolas S.

Ejemplo 1 Fabricación de las correderas para el grupo de recirculación de bolas recubierto mediante un proceso realizado según la presente invención

Los componentes a recubrir son una corredera para la recirculación del grupo a bolas, fabricada con un material compuesto que consiste en una matriz metálica de aluminio con un 15% de carburo de titanio.

La superficie de este componente fue desbastada mediante chorro de arena y el semielaborado resultante se dispuso en una mesa giratoria para su revestimiento mediante la técnica de pulverización en caliente HVOF.

El material previamente seleccionado para el revestimiento es un compuesto cerámico metálico que presenta el siguiente porcentaje en peso con respecto a su composición: 14,1 WC 75-Ni; 5 Cr; 1 Cu;2 W; 2,2 Mo; 0,2 B. Este material se caracteriza por una excelente resistencia al desgaste, erosión y corrosión.

Tras abrir la llama de un aparato para pulverización en caliente de HVOF, los parámetros de la llama se ajustaron a valores convenientes para conseguir recubrimiento homogéneos, con valores bajos de porosidad y exentos de defectos por incrustación de partículas, óxidos y cascajos. La llama de la antorcha se posicionó a 180 mm de distancia, con el componente a recubrir girando a una velocidad de 60 rpm, y se trasladó a lo largo del eje longitudinal a una velocidad aprox. de 200 mm/s a una altura aprox. de 150 mm.

Durante esta fase de revestimiento la temperatura alcanza desde 50 a 150ºC. El post-pulverizado del componente se dejó enfriar lentamente al aire sin corrientes. Luego, la superficie del componente se mecanizó por amolado con un disco esmeril de 20 granos SIC, hasta que se hubieron eliminado las asperezas superficiales. El espesor final del revestimiento de fondo alcanzó aprox. 400 \mum.

El recubrimiento así obtenido es resistente al desgaste, y el espesor del mismo es idóneo para absorber la fatiga por carga de las bolas y los momentos de inclinación respecto a los ejes.

Como se sabe, tales tensiones son generalmente como mínimo de 1.000 MPa, alcanzando incluso hasta 3.500 MPa en aplicaciones específicas, en las que se prevén altas velocidades y elevadas aceleraciones.

La Figura 1 es una vista en perspectiva de un grupo a bolas recirculante, con una corredera P, con un substrato confeccionado con un compuesto que contiene un 15% de Al-TiC recubierto como se ha explicado arriba y el cursor a bolas S que allí se indica.

Ejemplo 2 Fabricación de varillas para taladrar (AP) recubiertas aplicando el proceso al que se refiere la invención

Una varilla para taladrar (AP), confeccionada con resina epoxi conteniendo fibras de carbono (dirección de la fibras \pm 10º con respecto al eje del tubo), se sometió al proceso de revestimiento según la invención.

La superficie de la varilla para taladrar fue desbastada mediante chorro de arena en caliente y el producto resultante se dispuso en una mesa giratoria para ser recubierto mediante la técnica de pulverización en caliente HVOF.

El material pre-seleccionado es un compuesto cerámico-metálico que presenta la siguiente composición porcentual en peso: 14,1 WC 75-Ni; 5 Cr; 1 Cu; 2 W; 3,2 Mo; 0,2 B. Este material se caracteriza por una excelente resistencia superficial al desgaste, a la corrosión y la erosión.

Tras encender la llama de un aparato para pulverización en caliente tipo HVOF los parámetros de la llama se ajustaron a valores apropiados para permitir unos revestimientos homogéneos, con valores bajos de porosidad y exentos de defectos de colada con partículas incrustadas, óxidos y cascajos. La llama de la antorcha se situó a 380 mm de distancia con el componente a revestir girando a una velocidad de 60 rpm, y se desplazó a lo largo del eje longitudinal a una velocidad aproximada de 200 mm/s a una altura aproximada de 150 mm. Durante esta fase de revestimiento la temperatura alcanzó de 50 a 150ºC.

El post-pulverizado de la varilla para taladrar recubierta se dejó enfriar lentamente en aire exento de corrientes. Luego, la superficie del componente se mecanizó amolando con un disco esmeril de 20 granos SiC, hasta haber eliminado las asperezas superficiales.

El espesor final del revestimiento de fondo alcanzó aproximadamente 450 \mum.

La varilla para taladrado así recubierta resiste las altas solicitaciones por carga exigibles en sus usos, en consecuencia, garantizando y mejorando la resistencia a la erosión por lodo líquido.

Claims

1. Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad con una alta resistencia superficial, que disponen de un substrato de matriz polimérica o metálica y un revestimiento cerámico y/o metálico-cerámico, en el que el substrato de baja densidad a recubrir presenta una relación de módulo de elasticidad con respecto al peso específico del mismo orden de 25 GPa/kg/dm^{3} y está sujeto a las siguientes fases:

* mecanizado de las superficie a fin de proporcionar una tensión por compresión residual en la capa exterior;

* estabilización térmica a una temperatura inferior a 350ºC;

* aplicación sobre la superficie exterior mediante técnicas de pulverización en caliente a una temperatura entre 70 y 350ºC de una capa de revestimiento de un material cerámico o metal-cerámico con una resistencia superficial más elevada que la del componente a recubrir; y

* acabado de la superficie de la capa recubierta con un tratamiento de acabado.

2. Proceso para fabricación de componentes de baja densidad con alta resistencia superficial, disponiendo de un substrato de matriz polimérica o metálica y de un revestimiento cerámico y/o metal-cerámico según la reivindicación 1, en donde la mecanización de la superficie para proporcionar una tensión a compresión residual en las capas exteriores del componente a recubrir comprende un tratamiento seleccionado de entre un grupo consistente en chorreado con bolas, chorro de arena y combinación de ambos.

3. Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad con alta resistencia superficial, que disponen de un substrato de matriz polimérica o metálica y un revestimiento cerámico y/o metal-cerámico, según las reivindicaciones 1 ó 2, en donde el tratamiento de acabado de la superficie del revestimiento comprende una operación de mecanizado seleccionada de entre un grupo consistente en amolado, pulido, revolteado, rodado y una combinación de ellos.

4. Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad con alta resistencia superficial, que disponen de un substrato de matriz polimérica o metálica y un revestimiento cerámico y/o metal-cerámico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las técnicas de pulverización en caliente se seleccionan de entre un grupo consistente en el pulverizado en caliente a elevada velocidad (HVOF, oxy-fuel a alta velocidad, el pulverizado con plasma pulverizado con plasma al vacío, pulverizado con plasma de atmósfera controlada, APS, HPPS) pulverizado a la llama (FS), arco de plasma por transferencia (PTA), pulverizado por arco (AS), y la combinación de ellos.

5. Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad con alta resistencia superficial, disponiendo de un substrato de matriz polimérica o metálica y un revestimiento cerámico y/o metálico según cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en el que la capa de revestimiento aplicada por pulverización en caliente presenta un espesor del orden de 100 a 4.200 \mum, siendo preferible un valor de 100 a 500 \mum.

6. Proceso para la fabricación de componentes de baja densidad con alta resistencia superficial, disponiendo de un substrato de matriz polimérica o metálica y un revestimiento cerámico y/o metal-cerámico, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la capa de revestimiento se selecciona a partir de un grupo que consiste en WC-M,CrC-M, TiC-M, BN-M, SiC-M, en donde M es una matriz metálica seleccionada entre un grupo compuesto por Ni, Co, NiCr, NiCrFeBSi, NiCrCuMoWB.

7. Componentes de baja densidad con alta resistencia superficial, caracterizados porque se han obtenido mediante el proceso al que se refieren las reivindicaciones de 1 a 6.