ES2282665T3 - Procedimiento para la produccion de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material ceramico no oxidico por medio de un laser. - Google Patents

Procedimiento para la produccion de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material ceramico no oxidico por medio de un laser. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la producción de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material cerámico no oxídico mediante un láser, en el que unas piezas moldeadas a base del material cerámico son provistas, junto a las superficies que se han de unir, de un material de soldadura a base de 80 - 30 % en masa de óxido de ítrio y/o 55 - 15 % en masa de óxido de zirconio, 5 - 70 % en masa de óxido de aluminio, 0 - 50 % en masa de dióxido de silicio y 0 - 10 % en masa de silicio, y a continuación, mediante un láser, sin la presencia de una atmósfera de gas protector ni de un vacío, se aumenta la temperatura junto al sitio de la unión por encima de la temperatura de fusión del material de soldadura, ocurriendo que una mojabilidad, suficiente para la realización de la unión de las superficies que se han de unir, por el material de soldadura fundido, es realizada por medio del dióxido de silicio que procede y/o se forma a partir del material cerámico y/o a partir del material de soldadura, y/o que se aplica adicionalmente, junto a las superficies que se han de unir.

Description

Procedimiento para la producción de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material cerámico no oxídico por medio de un láser.
Sector de aplicación del invento
El invento se refiere a los sectores de la industria cerámica y de la tecnología de los rayos láser, y concierne a un procedimiento para la producción de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material cerámico no oxídico mediante un láser, con el que por ejemplo se pueden encerrar materiales de bajo punto de fusión o radiactivos dentro de un recipiente a base de un material cerámico.
Estado de la técnica
Se conocen procedimientos de soldadura autógena y soldadura indirecta para la unión de un material cerámico, y en particular de materiales cerámicos de alto rendimiento (Hesse, A. y colaboradores, Keramische Zeitschrift 3 (1994), páginas 147-150; Boretius, M. y colaboradores VDI-Berichte, tomo 670, páginas 699-713, editorial VDI, Düsseldorf, 1988).
En el caso de estos procedimientos de unión con continuidad de material, la soldadura indirecta se distingue, en comparación con la soldadura autógena (con difusión), por un menor gasto tecnológico así como por una reproducibilidad y una confiabilidad más altas.
Al efectuar una soldadura indirecta activa con materiales metálicos de soldadura, se producen uniones relativamente firmes. En el caso de emplearse este procedimiento con un material cerámico metalizado por PVD (deposición física en fase de vapor) o tratado con láser, se consiguen sobre todo favorables propiedades de mojadura y de fluidez del material de soldadura (Wielage, B. y colaboradores, VDI-Berichte, tomo 883, páginas 117-136, editorial VDI, Düsseldorf, 1991). En el caso de este procedimiento, el material cerámico es metalizado y a continuación puesto en contacto con el material de soldadura dentro de un horno. De este modo, la temperatura es aumentada hasta por encima de la temperatura de fusión del material de soldadura. En el estado líquido fundido, los materiales de soldadura mojan a la superficie cerámica metalizada y, después del enfriamiento, forman una firme unión.
Junto al empleo de materiales metálicos de soldadura, se pueden emplear sin embargo también materiales de soldadura vítreos/cerámicos para la unión de un material cerámico (Boretius, M. y colaboradores, editorial VDI, Düsseldorf, 1995). En el caso de este procedimiento, la pieza de trabajo es introducida en un horno y, mediando aplicación de una fuerza externa para la compresión de ambos partícipes en la unión, es calentada hasta por encima de la temperatura de fusión del material de soldadura. La fuerza es necesaria con el fin de conseguir un suficiente grado de consolidación en la costura de unión y una estanqueidad frente a los gases. El proceso en el horno tiene lugar en tal caso bajo una atmósfera de un gas protector o en vacío. El material de soldadura, después de alcanzar su temperatura de fusión, forma una fase líquida, que moja a las superficies que se han de unir y que, después de una solidificación renovada, conduce a una unión cerámica firme. Estos materiales de soldadura se utilizan sobre todo en los casos en los que se plantean altas exigencias en lo que se refiere a la resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas, pero se plantean menores exigencias en lo que se refiere a la transmisión de fuerzas mecánicas.
Los materiales de soldadura vítreos/cerámicos mojan bien a los materiales cerámicos y por lo tanto, al contrario que los materiales metálicos de soldadura, pueden ser empleados sin ninguna metalización de la superficie del material cerámico. Una ventaja adicional de los materiales de soldadura vítreos-cerámicos consiste en que ellos son estancos a los gases. Los materiales de soldadura vítreos/cerámicos cristalinos se convierten, después de la solidificación, a un estado policristalino, cerámico. La temperatura de soldadura indirecta corresponde la mayor parte de las veces a la temperatura de uso. La ventaja especial de los materiales de soldadura vítreos/cerámicos consiste en que ellos hacen posible una adaptación del coeficiente de dilatación y de la estabilidad térmica del sitio de la unión.
Es desventajoso, en el caso de este procedimiento, el hecho de que las piezas de trabajo han de ser adaptadas, en lo que se refiere a su tamaño, a los respectivos hornos, y de que los materiales que se encuentran en el interior de un recipiente de material cerámico, que debe ser cerrado mediante unión, son cargados asimismo fuertemente por la carga térmica relativamente larga y alta. Los materiales de bajo punto de fusión no se pueden cerrar con estas tecnologías dentro de tales recipientes de material cerámico.
Además, se conocen procedimientos para la unión de materiales cerámicos con materiales de soldadura para dar unas uniones cerámicas no resistentes a las altas temperaturas mediante un láser, uniéndose solamente piezas componentes pequeñas y siendo necesario asimismo un vacío o un gas protector (Harrison S, y colaboradores, Solid Freeform Fabrication Proceedings, Proc. of the SFF Symp. Austin, USA, 10-12 de Agosto, 1998, (1998) páginas 537-542).
Exposición de la esencia del invento
El invento se basa en la misión de producir una unión duradera, estanca a los gases y resistente a las altas temperaturas, entre piezas componentes a base de un material cerámico no oxídico.
El problema planteado por esta misión es resuelto por medio del invento indicado en las reivindicaciones. Ciertos perfeccionamientos son objeto de las reivindicaciones secundarias.
En el caso del procedimiento conforme al invento para la producción de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material cerámico no oxídico mediante un láser, las piezas moldeadas a base del material cerámico son provistas, junto a las superficies que se han de unir, de un material de soldadura a base de 80 - 30% en masa de óxido de ítrio y/o 55 - 15% en masa de óxido de zirconio, 5 - 70% en masa de óxido de aluminio, 0 - 50% en masa de dióxido de silicio y 0 - 10% en masa de silicio. A continuación, mediante un láser, sin la presencia de una atmósfera de gas protector ni de un vacío, la temperatura junto al sitio de la unión se aumenta por encima de la temperatura de fusión del material de soldadura, ocurriendo que una mojabilidad, suficiente para la realización de la unión de las superficies que se han de unir, por el material de soldadura fundido, es realizada por medio del dióxido de silicio que procede y/o se forma a partir del material cerámico y/o a partir del material de soldadura, y/o que se aplica adicionalmente, junto a las superficies que se han de unir.
Como material cerámico no oxídico se entienden todos los materiales cerámicos que no forman total o parcialmente ninguna fase fundida.
Un agente de reducción puede ser llevado asimismo, a través del material cerámico o a través del material de soldadura, junto al sitio de la unión.
Las superficies a unir son aquellas superficies de las piezas que se han de unir que, después de la producción de la unión, realizan la cohesión local de las partes que se han de unir.
Como sitio de la unión debe entenderse en el marco de este invento el volumen, que abarca el material de soldadura que se ha de fundir y por lo menos las superficies colindantes a unir. Regularmente, este volumen abarca también además las piezas de material cerámico que colindan con las superficies a unir.
El dióxido de silicio presente junto al sitio de la unión sirve, por una parte, para la disminución de la temperatura de fusión del material de soldadura durante la elevación de la temperatura y, por otra parte, para la realización de la necesaria mojabilidad de las superficies a unir por el material de soldadura fundido.
La porción de dióxido de silicio puede proceder del material cerámico y/o del material de soldadura y/o puede formarse a partir de éstos y/o puede ser aplicada adicionalmente.
En el caso del empleo de un material cerámico de carburo de silicio, de modo condicionado por la producción, sobre la superficie de los granos de carburo de silicio está presente una capa de dióxido de silicio, que junto a la superficie a unir es suficiente en muchos casos para la producción de una suficiente mojabilidad por el material de soldadura fundido. Además, desde el volumen de material cerámico presente en torno a las superficies a unir, dependiendo del período de tiempo de la acción térmica, se difunde dióxido de silicio junto a las superficies a unir, de modo que está presente una suficiente cantidad de dióxido de silicio para la producción de una suficiente mojabilidad por el material de soldadura fundido junto a las superficies a unir.
Además, se puede formar dióxido de silicio mediante oxidación del SiO que se separa en principio por evaporación con el oxígeno del aire, y se puede precipitar junto a la superficie de las piezas componentes y en particular sobre la parte superficial de las superficies a unir.
Por lo general, pero en particular en el caso de la producción de una unión de otro material cerámico no oxídico, se puede aplicar también dióxido de silicio sobre las superficies a unir, con el fin de realizar la cantidad necesaria de dióxido de silicio para la producción de una suficiente mojabilidad por el material de soldadura fundido.
A continuación, mediante un láser, la temperatura junto al sitio de la unión se aumenta hasta por encima de la temperatura de fusión del material de soldadura, prescindiéndose de una atmósfera de gas protector o de un vacío.
Es ventajoso que se emplee un material de soldadura a base de 80 - 30% en masa de óxido de ítrio y/u óxido de zirconio, 20 - 70% en masa de óxido de aluminio, 0 - 40% en masa de dióxido de silicio y 0 - 10% en masa de silicio.
Es ventajoso también que se emplee un material de soldadura a base de 50 - 20% en masa de óxido de zirconio,
20 - 70% en masa de óxido de aluminio, 1 - 5% en masa de dióxido de silicio y 1 - 5% en masa de silicio.
Ventajosamente, se emplea un material de soldadura a base de 60 - 80% en masa de óxido de ítrio, 20 - 40% en masa de óxido de aluminio, 1 - 5% en masa de dióxido de silicio y 1 - 5% en masa de silicio.
Asimismo de una manera ventajosa, el material de soldadura se emplea en una forma sólida o pulverulenta o de franjas, o en una forma pastosa, o como un revestimiento.
Es ventajoso además que como láser se emplee un láser de Nd:YAG.
También es ventajoso que los sitios de unión se calienten a unas temperaturas de 1.200ºC a 2.000ºC.
Es todavía más ventajoso que los sitios de unión se calienten a unas temperaturas de 1.500ºC a 1.900ºC.
Asimismo es ventajoso que como material cerámico se una un material cerámico de carburo de silicio.
La ventaja especial del invento se encuentra en que se ha hecho posible por primera vez unir, en particular, piezas moldeadas de materiales cerámicos de carburo de silicio, no debiendo estar presente expresamente ninguna atmósfera de gas protector o ningún vacío.
Como una atmósfera de gas protector se entiende en este caso una atmósfera destinada a la evitación de procesos de oxidación, por regla general mediante un gas inerte.
La contrapresión parcial de O_{2}, presente durante la unión, desplaza el equilibrio de fases, en la zona a unir, de tal manera que se reduzca la formación de gases durante la unión, y resulte una costura de unión óptima.
Además, una ventaja del invento consiste en que se pueden emplear láseres de cualquier tipo y longitud de onda. De manera especialmente ventajosa, se pueden emplear los láseres, cuando su foco de radiación no está situado sobre la superficie del material de soldadura junto al sitio de la unión, sino a mayor altura, de manera tal que se consiga una diseminación más uniforme de la temperatura en el material de soldadura.
En el caso del procedimiento conforme al invento, sobre las piezas de trabajo, que se componen de un material cerámico no oxídico, que no forma total o parcialmente ninguna fase fundida, en la primera etapa del procedimiento el material de soldadura se aplica sobre el sitio de la unión.
En este caso el material de soldadura puede ser aplicado como un material en forma de polvo o como una pasta o como una suspensión. Después de la desecación, el material de soldadura permanece sobre el sitio de la unión.
La aplicación puede efectuarse por ejemplo mediante proyección, con una rasqueta, con un punzón o con una fibra.
También es posible colocar el material de soldadura dentro de una cavidad o de una ranura junto al sitio de la unión.
Mediante tales procedimientos se asegura una aplicación más deliberada y regulable cuantitativamente del material de soldadura sobre el sitio de la unión. Al mismo tiempo, de esta manera el procedimiento se hace bien mecanizable y automatizable.
En la subsiguiente etapa del procedimiento, una zona situada sobre el, o en torno al, sitio de la unión, se calienta con la radiación del rayo láser de un láser de CO_{2} o un láser de Nd:YAG o de un láser de diodos. Para esto, el rayo láser es dirigido sobre las superficies de las piezas de trabajo, y el calentamiento de la costura de unión, o de zonas situadas en torno a la costura de unión, se consigue ventajosamente mediante un movimiento relativo entre el rayo láser y las piezas de trabajo, por ejemplo mediante el movimiento de las piezas de trabajo frente a un rayo láser colocado fijamente, o mediante la desviación de la radiación del rayo láser con ayuda de construcciones ópticas frente a piezas de trabajo fijas, o mediante combinaciones de ambos procedimientos. Al mismo tiempo, mediante un pirómetro de radiación o una similar disposición para medir temperaturas, se mide la temperatura de las superficies. A través de una regulación de la potencia del láser, dependiente de la temperatura, se consiguen una temperatura definida, situada en la región de la temperatura de fusión de los materiales que sirven para la formación de la unión, así como unos definidos ciclos de calentamiento y enfriamiento.
Las superficies de las piezas de trabajo son en tal caso calentables tanto totalmente como también por tramos (en inmediata proximidad de la superficies a unir) o de una manera consecutiva.
Si se calienta solamente el tramo situado en inmediata proximidad a la superficie a unir, otros segmentos de las piezas de trabajo pueden ser enfriados. De esta manera es posible unir unas piezas de trabajo que al mismo tiempo están en contacto con materiales de bajo punto de fusión, sin que se fundan estos materiales de bajo punto de
fusión.
Después de haberse alcanzado una temperatura situada en el intervalo de la temperatura de fusión de los materiales que sirven para la formación de una unión, mediante un láser de Nd:YAG o un láser de CO_{2} o un láser de diodos, se inicia la formación de la unión.
Mejor manera para realizar el invento
A continuación el invento se explica con mayor detalle en un ejemplo de realización.
Un cuerpo cerámico de carburo de silicio en forma de un cilindro hueco, cerrado por abajo, con las dimensiones siguientes: diámetro 15 = mm y altura = 50 mm, es provisto de una tapa mediante el procedimiento conforme al invento. En este caso el recipiente de material cerámico está lleno con un material radiactivo.
\newpage
Sobre las superficies superiores de la sección transversal del cuerpo cerámico se aplica con brocha en una forma pastosa un material de soldadura a base de 61,75% en masa de Y_{2}O_{3}, 33,25% en masa de Al_{2}O_{3} y 5% en masa de SiO_{2}. Después de esto, se coloca encima la tapa a base de un material cerámico de carburo de silicio. Luego, el rayo láser de un láser de Nd:YAG, con una potencia de 500 W, es dirigido hacia la costura de unión. En tal caso junto a la costura de unión resulta una temperatura de 1.600ºC. El cuerpo cerámico es hecho girar durante el tratamiento con el láser con una velocidad de 167 revoluciones por minuto (rpm). Después de un giro, realizado múltiples veces, del cuerpo cerámico durante 30 s (segundos), la tapa está firmemente unida con el cuerpo cerámico.
El material radiactivo es encerrado, de una manera duradera y estanca a los gases, dentro del cuerpo cerámico.

Claims (9)

1. Procedimiento para la producción de uniones, estancas a los gases y resistentes a las altas temperaturas, de piezas moldeadas a base de un material cerámico no oxídico mediante un láser, en el que unas piezas moldeadas a base del material cerámico son provistas, junto a las superficies que se han de unir, de un material de soldadura a base de
80 - 30% en masa de óxido de ítrio y/o 55 - 15% en masa de óxido de zirconio, 5 - 70% en masa de óxido de aluminio, 0 - 50% en masa de dióxido de silicio y 0 - 10% en masa de silicio, y a continuación, mediante un láser, sin la presencia de una atmósfera de gas protector ni de un vacío, se aumenta la temperatura junto al sitio de la unión por encima de la temperatura de fusión del material de soldadura, ocurriendo que una mojabilidad, suficiente para la realización de la unión de las superficies que se han de unir, por el material de soldadura fundido, es realizada por medio del dióxido de silicio que procede y/o se forma a partir del material cerámico y/o a partir del material de soldadura, y/o que se aplica adicionalmente, junto a las superficies que se han de unir.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se emplea un material de soldadura a base de
80 - 30% en masa de óxido de ítrio y/u óxido de zirconio, 20 - 70% en masa de óxido de aluminio, 0 - 40% en masa de dióxido de silicio y 0 - 10% en masa de silicio.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se emplea un material de soldadura a base de
50 - 20% en masa de óxido de zirconio, 20 - 70% en masa de óxido de aluminio, 1 - 5% en masa de dióxido de silicio y 1 - 5% en masa de silicio.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se emplea un material de soldadura a base de
60 - 80% en masa de óxido de ítrio, 20 - 40% en masa de óxido de aluminio, 1 - 5% en masa de dióxido de silicio y
1 - 5% en masa de silicio.
5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el material de soldadura se emplea en una forma sólida o pulverulenta o de franjas, o en una forma pastosa, o como un revestimiento.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que como láser se emplea un láser de Nd:YAG.
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los sitios a unir se calientan a unas temperaturas de 1.200ºC a 2.000ºC.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los sitios a unir se calientan a unas temperaturas de 1.500ºC a 1.900ºC.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que como material cerámico se une un material cerámico de carburo de silicio.
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