ES2284978T3 - Procedimiento para aplicar como recubrimiento por rociado polimeros infusibles usando una combustion de combustible y oxigeno a alta velocidad (hvof). - Google Patents

Abstract

Método que es para aplicar como recubrimiento por rociado uno o varios polímeros infusibles a un sustrato y comprende los pasos de: generar una combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF); rociar una corriente de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) que contiene al menos un polímero infusible en polvo desde una tobera alargada después de y en comunicación fluídica con dicha combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF), comprendiendo dicha tobera alargada un cañón que tiene un ánima central con una abertura de entrada y una abertura de salida, siendo dicho polímero infusible en polvo, que es al menos uno, aportado al interior de dicha corriente de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) en un punto que se encuentra dentro de dicha tobera alargada después de dicha abertura de entrada para recubrir dicho sustrato con el polímero infusible que es al menos uno; y hacer que un fluido refrigerante circule externamente por en torno al cañón de dicha tobera alargada.

Description

Procedimiento para aplicar como recubrimiento por rociado polímeros infusibles usando una combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF).

Ámbito de la invención

La presente invención se refiere a un método para recubrir superficies usando polímeros infusibles. Más en particular, la presente invención se refiere a un procedimiento para aplicar como recubrimiento por rociado polímeros infusibles usando una combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF).

Antecedentes de la invención

Históricamente han venido siendo usados para recubrir por rociado materiales metálicos y cerámicos procedimientos basados en la combustión de Combustible y Oxígeno a Alta Velocidad (HVOF). En el procedimiento de recubrimiento por rociado han venido siendo usados materiales que son al menos parcialmente fusibles o susceptibles de ser reblandecidos térmicamente de forma tal que pueden ser aplicados como recubrimiento por rociado. Por ejemplo, la Patente US Nº 5.285.967 concedida a Weidman describe una pistola de termorrociado por combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) para aplicar por rociado a un sustrato una composición de polvo fundido de compuestos termoplásticos, materiales compuestos metálicos/termoplásticos o materiales compuestos cerámicos/termoplásticos, por ejemplo, para formar un recubrimiento sobre dicho sustrato. La pistola rociadora incluye un generador de llama por combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) para aportar una corriente de gas de combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) a una tobera refrigerada por fluido. Una parte de la corriente gaseosa es desviada para precalentar el polvo, siendo el polvo precalentado inyectado a la corriente gaseosa principal en un punto posterior dentro de la tobera. Están previstas fuentes de aire a presión y de vacío en una cubierta que circunscribe a la tobera para refrigerar el polvo fundido en vuelo antes de su deposición sobre el sustrato.

Otro ejemplo es el de la Patente US Nº 4.999.225 concedida a Rotolico, que describe un método para producir un recubrimiento denso y tenaz con una pistola termorrociadora que incluye un elemento que constituye una tobera y un casquete gaseoso. Esta patente describe partículas de polvo que tienen un componente que es fusible y susceptible de ser reblandecido térmicamente y un componente que es infusible y termoestable y son rociadas mediante un procedimiento de termorrociado.

Los polímeros pueden mejorar las características funcionales de materiales tradicionales tales como el acero o el aluminio o incluso sustituirlos en muchas aplicaciones. Esto es así en especial gracias al desarrollo de materiales poliméricos que incrementan significativamente la variedad de aplicaciones en las que pueden ser usados estos polímeros. Un ejemplo de estos materiales poliméricos lo constituye el desarrollo de "polímeros de altas prestaciones" como los polisulfuros, las polieteretercetonas (PEEK), el politetrafluoroetileno (PTFE) y las poliimidas. Estos materiales presentan características mejoradas tales como las características funcionales a alta temperatura, la resistividad química, la tenacidad, la resistencia al desgaste y unas mejoradas propiedades mecánicas.

En particular las poliimidas presentan superiores propiedades en las aplicaciones en las que tiene lugar desgaste y fricción y se dan altas temperaturas. Este material ha venido siendo usado para componentes resistentes al desgaste en una extensa gama de aplicaciones industriales que incluyen los engranajes, los cojinetes, las juntas de estanqueidad, los aros de pistón, etc. Sin embargo, el alto coste de las poliimidas constituye una limitación para su uso. Por consiguiente, sería deseable desarrollar una alternativa económica a la fabricación de componentes tales como los anteriormente mencionados a base del costoso material poliimídico como único constituyente de los mismos. Se cree que un material compuesto de poliimida y metal reduciría el coste del material poliimídico cuando el metal es de bajo coste, tal como es el caso del acero o del aluminio. Es además deseable contar con un método para aplicar una mezcla de material compuesto de este tipo a un sustrato.

Polímeros infusibles tales como poliimidas han sido aplicados con buenos resultados en aplicaciones en el campo de los semiconductores que requieren resistencia al gas plasma corrosivo y una alta pureza de los materiales. Sin embargo, el método de aplicación de estos polímeros ha venido estando limitado al moldeo en caliente o a la técnica de formar directamente las piezas con estos recubrimientos poliméricos en los métodos usados para los semiconductores. Hay casos en los que no resultan prácticos estos métodos. Esto es así, por ejemplo, en el caso de las grandes superficies y/o de las superficies geométricamente complejas.

Así, es deseable contar con un método para aplicar polímeros infusibles a un sustrato para obtener la resistencia y la alta pureza del material del polímero infusible. Se cree asimismo que tales recubrimientos alargan la duración del sustrato.

Breve exposición de la invención

Dicho brevemente y según un aspecto de la presente invención, se aporta un método que es para aplicar como recubrimiento por rociado uno o varios polímeros infusibles a un sustrato y comprende los pasos de: generar una combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF); proyectar una corriente de HVOF que contiene al menos un polímero infusible desde una tobera alargada después de y en comunicación fluídica con dicha combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF), comprendiendo dicha tobera alargada un cañón que tiene un ánima central con una abertura de entrada y una abertura de salida, siendo dicho polímero infusible, que es al menos uno, aportado a dicha corriente de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) en un punto que está dentro de dicha tobera alargada y después de dicha abertura de entrada, para recubrir dicho sustrato con el polímero infusible en polvo que es
al menos uno; y hacer que un fluido refrigerante circule externamente por en torno al cañón de dicha tobera alargada.

Adicionalmente a lo expuesto en el párrafo anterior, la presente invención comprende además el paso de postcurar el recubrimiento de al menos un polímero infusible aplicado por rociado a dicho sustrato. El postcurado comprende la sinterización de al menos un polímero infusible aplicado como recubrimiento por rociado a dicho sustrato, comprendiendo dicha sinterización el paso de calentar el polímero infusible que es al menos uno y ha sido aplicado como recubrimiento por rociado a dicho sustrato, no debiendo ser sobrepasada en el calentamiento una temperatura máxima de 450ºC en un recinto cerrado que tiene una atmósfera inerte.

Breve descripción de los dibujos

Se comprenderá más plenamente la invención a la luz de la siguiente descripción detallada tomada en conexión con los dibujos acompañantes, en los cuales:

La Figura 1 muestra una pistola rociadora del estado de la técnica que usa la combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad, estando aquí identificados los componentes de dicha pistola rociadora.

La Figura 2 muestra una cámara de mordentado.

La Figura 3 muestra un diagrama en el que están clasificados por categorías los procedimientos de termorrociado.

La Figura 4 muestra un esquema de una pistola termorrociadora HVOF que puede ser usada en la presente invención.

La Figura 5 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento aplicado sobre acero cuando el recubrimiento carece de carga, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento no sinterizado con la profundidad de rayado del recubrimiento sinterizado.

La Figura 6 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento aplicado sobre acero cuando el recubrimiento contiene carga, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento no sinterizado con la profundidad de rayado del recubrimiento sinterizado.

La Figura 7 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento aplicado sobre acero cuando el recubrimiento está sinterizado, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento sin carga con la profundidad de rayado del recubrimiento con carga.

La Figura 8 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento aplicado sobre acero cuando el recubrimiento no está sinterizado, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento sin carga con la profundidad de rayado del recubrimiento con carga.

La Figura 9 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento aplicado sobre aluminio cuando el recubrimiento tiene carga, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento no sinterizado con la profundidad de rayado del recubrimiento sinterizado.

La Figura 10 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento aplicado sobre aluminio cuando el recubrimiento no está sinterizado, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento sin carga con la profundidad de rayado del recubrimiento con carga.

La Figura 11 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento sin carga y no sinterizado, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento aplicado sobre acero con la profundidad de rayado del recubrimiento aplicado sobre aluminio.

La Figura 12 muestra una comparación gráfica de la resistencia al rayado de un recubrimiento con carga y no sinterizado, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento aplicado sobre acero con la profundidad de rayado del recubrimiento aplicado sobre aluminio.

La Figura 13 muestra una comparación gráfica de la profundidad de rayado de un recubrimiento con carga y sinterizado, comparándose concretamente en el gráfico la profundidad de rayado del recubrimiento aplicado sobre acero con la profundidad de rayado del recubrimiento aplicado sobre aluminio.

La Figura 14 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el área de la huella de desgaste para sustrato de acero, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 15 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el área de la huella de desgaste para sustrato de acero, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 16 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el área de la huella de desgaste para sustrato de aluminio, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 17 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el área de la huella de desgaste para sustrato de aluminio, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 18 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento no sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el área de la huella de desgaste, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 19 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento no sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el área de la huella de desgaste, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 20 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el área de la huella de desgaste, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 21 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el área de la huella de desgaste, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 22 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el coeficiente de rozamiento, sustrato de acero, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 23 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el coeficiente de rozamiento, sustrato de acero, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 24 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el coeficiente de rozamiento, sustrato de aluminio, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 25 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para el coeficiente de rozamiento, sustrato de aluminio, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 26 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento no sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el coeficiente de rozamiento, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 27 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento no sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el coeficiente de rozamiento, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 28 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el coeficiente de rozamiento, 10 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

La Figura 29 muestra una ilustración en forma de gráfico de barras de los resultados de los ensayos de desgaste para recubrimiento sinterizado aplicado sobre sustrato de acero/Al, el coeficiente de rozamiento, 20 N, 0,65 m/seg. y 10000 ciclos, estando dichos resultados promediados entre los correspondientes a un radio de 17 mm y los correspondientes a un radio de 21 mm.

Si bien la presente invención será descrita en conexión con una realización preferida de la misma, se entenderá que no se pretende con ello limitar la invención a esa realización. Por el contrario, se pretende englobar todas las alternativas y modificaciones y todos los equivalentes que puedan quedar incluidos dentro del espíritu y del alcance de la invención según la definen las reivindicaciones adjuntas.

Descripción detallada de la invención

Como se ha mencionado anteriormente, una limitación del estado de la técnica es la que consiste en el hecho de que cuando son utilizados como único constituyente del producto que se fabrica presentan un coste prohibitivo los materiales poliimídicos que para una variedad de aplicaciones presentan las deseadas propiedades en materia de desgaste y rozamiento y resistencia a las altas temperaturas. Se cree que este coste se ve reducido al usar cuerpos compuestos de poliimida y metal, en los que se usan menores cantidades de la más costosa poliimida como superficie funcional en combinación con metales más económicos tales como acero o aluminio para la mayor parte del cuerpo compuesto. Un procedimiento para hacer estos cuerpos compuestos es el procedimiento en el que se hace uso de la combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad. Las aplicaciones que requieren una alta pureza del material además de la resistencia al desgaste y a la fricción y de la aptitud para el uso en aplicaciones a altas temperaturas requieren la aplicación de polímero infusible como recubrimiento sobre un sustrato.

A los efectos de esta solicitud, las "poliimidas" tienen macromoléculas lineales que incluyen anillos aromáticos o heterocíclicos que están estrechamente empaquetados, y tienen las siguientes características de las poliimidas: alta resistencia a las temperaturas extremas (desde -240º hasta 370ºC); gran tenacidad y dureza; alta termoestabilidad; muy buena estabilidad dimensional (coeficiente de dilatación térmica de aproximadamente 50 \mum/m/ºK); muy buen comportamiento en materia de desgaste; alta resistencia a la radiación; alta pirorretardación; y baja desgasificación en vacío (menos de 10^{-10} g/cm^{2}/seg.).

Las piezas de altas prestaciones que se hacen de resina poliimídica incluyen retenes rotativos, discos y arandelas de empuje, cojinetes, guías de alambre y barras de platina de máquina de imprimir, tiras de desgaste, asientos de válvula, bolas de válvula de retención y aisladores térmicos y eléctricos. Éstas son algunas de las varias aplicaciones de las piezas de poliimida. Todas estas piezas presentan una combinación de propiedades que les da ventajas en comparación con los metales, con otros plásticos y con las cerámicas. En comparación con los metales, las piezas de poliimida presentan mejores características de estanqueización, un peso más bajo, un coeficiente de rozamiento más bajo y una mejorada resistencia a la corrosión. En comparación con otros plásticos, la poliimida tiene una más amplia gama de temperaturas de uso continuo, carece de punto de fusión o de reblandecimiento y tiene una alta resistencia a la fluencia. La poliimida es compatible con el oxígeno, con la mayoría de los combustibles, con los disolventes, con los lubricantes y con los fluidos hidráulicos. En comparación con las cerámicas, las piezas de poliimida efectúan un mejor cierre hermético y son menos quebradizas, si bien siguen presentando estabilidad dimensional y térmica.

Las piezas de poliimida pueden sustituir a las piezas hechas de materiales convencionales en muchas aplicaciones y pueden también mejorar sus características funcionales. Las características de autolubricación y bajo desgaste hacen que sea posible sustituir elementos ensamblados por una pieza formada directamente. Son ejemplos las guías de la cinta en los vídeos y los cojinetes en las máquinas de imprimir. El bajo coeficiente de rozamiento y las mejoradas características de estanqueización hacen que sea atractivo y razonable usar aros de pistón de poliimida en lugar de aros de acero.

Como se ha mencionado anteriormente, un inconveniente de la sustitución de los materiales comunes por piezas de poliimida es el que radica en el más alto coste del material poliimídico cuando el mismo es el único constituyente de la pieza que se fabrica. Una solución alternativa es la de usar componentes compuestos que consten de sustratos metálicos de bajo coste con superficies de polímero de altas prestaciones que aporten a la combinación las superiores propiedades del polímero y limiten el uso del material en lo que constituye la mayor parte del componente a fin de reducir costes.

El termorrociado constituye una solución versátil y aveces rentable para las de una variedad de tareas de ingeniería y de mantenimiento. Estas incluyen la producción de recubrimientos resistentes a la corrosión y al desgaste y la reparación de piezas de maquinaria desgastadas.

La expresión "termorrociado" define un grupo de procedimientos que usan energía química o eléctrica para depositar gutículas de material metálico y no metálico sobre sustratos para formar un recubrimiento. La combinación de las altas temperaturas que producen partículas ya sea fundidas o bien al menos reblandecidas y las altas velocidades hace que las gutículas se deformen quedando convertidas en delgadas "salpicaduras" al impactar en la superficie. Al impactar más y más partículas, la gutículas se acumulan rápidamente y se enfrían quedando convertidas en una estructura laminar que forma el recubrimiento. Los depósitos habitualmente contienen porosidad, partículas no fundidas o fundidas de manera incompleta e inclusiones tales como óxidos, en dependencia del nivel de calentamiento de las distintas partículas. Hay varios y distintos métodos de termorrociado que se diferencian en características tales como la fuente de energía (de combustión o eléctrica), el material de alimentación (de una pieza o en partículas) y el entorno circundante. Hay típicamente tres categorías en las que están comprendidos los procedimientos de termorrociado: el rociado por combustión, por alambre y arco y por plasma, como se ilustra en la Figura 3. (Véase R.W. Smith, R. Knight, Thermal Spraying I: "Powder Consolidation-From Coating to Forming" Journal of Materials, Vol. 47-8 (agosto, 1995), páginas 32-39, cuya publicación queda incorporada a la presente por referencia).

Uno de los procedimientos que están dentro de la categoría de los procedimientos de recubrimiento por combustión es el conocido como procedimiento de recubrimiento por combustión de Combustible y Oxígeno a Alta Velocidad (HVOF), que es el procedimiento que fue usado al trabajar la presente invención. El procedimiento HVOF es uno de los más nuevos y de los de más rápida propagación de los entre los procedimientos de termorrociado. El procedimiento HVOF puede ser usado para las de una amplia gama de aplicaciones tales como las que se dan en los aviones a reacción, en las turbinas de gas instaladas en tierra, en los reactores químicos, en las forjas de labra de metales, en los laminadores y rodillos, en los textiles, en los puentes, en las bombas, en los compresores, en las prótesis médicas, e incluso en artículos domésticos tales como sartenes. Los recubrimientos dan protección contra el desgaste, la corrosión y la termodegradación, y pueden ser también usados para restauración y mantenimiento.

Se hace ahora referencia a los dibujos para dar una descripción detallada de la presente invención. La Figura 1 muestra una vista del estado de la técnica de una pistola rociadora usada para aplicar como recubrimiento por rociado polímeros fusibles o susceptibles de ser reblandecidos mediante la aplicación de calor. La pistola rociadora consta de un cuerpo de soplete 80 con acometidas unidas a la parte inferior del cuerpo por medio del anillo de sujeción inferior 40. El oxígeno entra en la pistola a través de la conexión de entrada de oxígeno 10 y pasa por una parte 50 estabilizadora del flujo y al interior de la cámara de combustión 70. El combustible entra por la conexión de entrada de combustible 20, pasa por un inyector 30 y es luego mezclado con el oxígeno en la cámara de combustión 70. Los gases en combustión pasan entonces al interior de la cabeza de combustión 90, donde giran 90º y se expansionan al interior de la tobera 140, que está soportada por el portatobera 160 y unida a la pistola por medio del anillo de sujeción superior 150. El polvo de recubrimiento entra en la pistola por la entrada de polvo 120 y pasa a través de la válvula 110 de paso del polvo y a través del adaptador 130 de la válvula de paso del polvo, que establece la conexión con el cuerpo de soplete 80. El polvo se desplaza entonces a través de la cabeza de combustión 90 pasando por un separador de carburo 100 que precalienta el polvo. El polvo continúa pasando al interior de la tobera 140, donde es mezclado con los gases de combustión, calentado a la temperatura apropiada superior al punto de fusión del polvo, y descargado sobre la superficie a recubrir. Es proporcionada refrigeración externa por agua de refrigeración que entra en la pistola por la entrada del agua de refrigeración 180, circula por en torno a la tobera 140, a la cabeza de combustión 90 y a la cámara de combustión 70, y sale luego de la pistola por la salida del agua de refrigeración 60.

En la presente invención, se presenta en la Figura 4 una realización de un procedimiento para aplicar como recubrimiento por rociado polímeros infusibles tales como poliimidas usando la técnica de combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad. El esquema de una pistola termorrociado que se muestra en la Figura 4 ilustra las características HVOF básicas, que incluyen una cámara de combustión interna, una refrigeración activa de la pistola rociadora, una inyección de partículas al interior de un tubo con los gases de combustión a alta presión y una expansión en tobera supersónica de los gases de combustión. El diseño de la tobera no es distinto del de un motor cohético. En la cámara de combustión son aportados a altas presiones (de 0,5-3,5 MPa) y a altos caudales y son puestos continuamente en combustión gases que incluyen oxígeno en combinación con combustibles tales como propileno, hidrógeno, propano e incluso combustibles líquidos tales como queroseno. Se deja que la llama resultante se expansione supersónicamente y salga por una tobera relativamente larga, lo cual es indicado por la característica aparición de "diamantes de choque". Polvos con gas portador son inyectados al interior de la tobera, donde las partículas son mezcladas con los gases en combustión a alta presión. Debido a las altas contrapresiones, es necesario usar alimentadores de polvo a presión con un gas portador inerte a fin de transportar el polvo al interior del chorro. Las partículas son entonces a continuación calentadas y aceleradas en el chorro de gas caliente y en expansión a fin de que experimenten un suficiente aplastamiento al impactar para así formar recubrimientos sobre el sustrato.

Se describe más específicamente a continuación una realización de la presente invención ilustrada en la Figura 4. El oxígeno entra por la entrada de oxígeno 240 en la cámara de combustión 270, donde se mezcla con el combustible que ha entrado por la entrada de combustible 250. El combustible y el oxígeno pueden ser inflados en distintas zonas de la pistola rociadora para calentar suficientemente el polímero infusible. En el caso de la presente invención, la combustión era llevada a cabo en la parte horizontal de la pistola rociadora. Los gases de combustión salen entonces de la pistola por la salida 300 de la tobera. El polímero infusible entra en la pistola por la entrada de inyección de polvo 290. El polímero infusible se desplaza a través de la cámara de combustión 270, donde el mismo es precalentado. El polímero infusible es descargado al interior de la corriente de gas de combustión en la salida 300 de la tobera. Debido al hecho de que el flujo de gas de combustión es supersónico, a la salida 300 de la tobera serán visibles diamantes de choque 310 al ser el polímero infusible expulsado de la tobera a fin de lograr un suficiente aplastamiento al impactar para formar un recubrimiento 320 sobre el sustrato 325. En la presente invención es preferible que antes del recubrimiento por rociado el sustrato tenga una superficie lisa que presente una rugosidad de menos de o igual a 250 micras. A la superficie del sustrato puede serle impartida rugosidad utilizando varios métodos entre los que se incluye el de chorreado con distintos medios. Se requiere refrigeración externa, y la misma entra por la entrada del agua de refrigeración 280. El agua de refrigeración circula por en torno a la tobera y a la cámara de combustión y sale por la salida del agua de refrigeración 260.

Las principales diferencias entre los distintos sistemas HVOF son las que radican en la cuestión de si la refrigeración es efectuada con agua o con aire o si la inyección del polvo es axial o radial, en los caudales y la composición del combustible, en la presión y configuración de la cámara de combustión, en el punto de inyección del polvo y en el diseño y la longitud de la tobera. Se ha comprobado que lo relativo a la refrigeración constituye uno de los elementos esenciales. Los sistemas están en su mayoría refrigerados por agua a fin de impedir la fusión y el deterioro de la tobera y la deposición de polvo fundido/reblandecido sobre las paredes de la tobera. Asimismo, los altos caudales de gas y el carácter decisivo de las mezclas de combustibles para la combustión requieren sistemas aptos para controlar con precisión el caudal de gas. Así, el control de estos parámetros es esencial para obtener una coherente calidad del depósito. Los componentes clave del sistema HVOF son los siguientes: las mezclas gaseosas de combustible y oxígeno; la inyección del polvo; la refrigeración por agua o por aire; el control y el flujo de refrigeración de la tobera; y los inyectores de gas de combustión.

El sistema Jet-Kote II® fabricado por Stellite sirve para ejecutar otro procedimiento de termorrociado. En este diseño la combustión de la mezcla de combustible y oxígeno es llevada a cabo en la "empuñadura" de la pistola. Los gases de combustión efectúan entonces un giro de 90 grados y los divididos en cuatro chorros, y el polvo es inyectado al centro de esta zona. Tras un corto paso por la tobera, la corriente de gas y partículas sale y se expande a la atmósfera.

Las típicas velocidades del gas para el rociado por combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad o rociado HVOF son de 1370-2930 m/seg. (4500-9600 pies/seg.), con velocidades de las partículas de 480-1020 m/seg. (1570-3350 pies/seg.), y las temperaturas del chorro están situadas dentro de una gama de temperaturas que va desde 1650 hasta 2760ºC (desde 3000 hasta 5000ºF). En comparación con otros procedimientos de termorrociado, el procedimiento HVOF tiene tanto ventajas como desventajas. Las ventajas incluyen los más bajos costes de inversión, la movilidad que facilita el uso en el lugar de aplicación, la obtención de recubrimientos que son habitualmente de alta densidad y altamente adherentes y los reducidos cambios de fase durante el rociado. Las desventajas incluyen los altos niveles de ruido (de hasta 130 dB(A)), los altos costes de explotación debido a los grandes caudales de gas, y los altos niveles de aportación de calor al sustrato y al recubrimiento, que pueden redundar en descomposición, tensiones residuales y agrietamientos. Sin embargo, los altos costes de explotación quedan minimizados al ser contemplados a la luz del procedimiento de la presente invención, que conduce a la obtención de un producto final menos caro.

Pueden ser termorrociados muchos polímeros termoplásticos entre los que se incluyen los uretanos, los alcoholes vinílicos de etileno (EVA's), el politetrafluoroetileno (PTFE), el metacrilato de polimetilo (PMMA), la polieteretercetona (PEEK), el nilón, el polietileno (PE) y otros. El proceso de consolidación de los polímeros depende del suficiente calentamiento y de la suficiente aceleración en vuelo a fin de alcanzar las plenas densidades y resistencias de cohesión. Se ha descubierto también que el proceso de termorrociado puede descomponer el polímero fusible, haciendo así que disminuya el peso molecular durante el rociado. Por esta razón, los polímeros fusibles rociados pueden tener propiedades distintas en comparación con los polímeros fusibles consolidados convencionalmente. Se cree que el polímero infusible de la presente invención evita este problema de descomposición del polímero fusible.

Haciendo de nuevo referencia a la Figura 4, esta realización de la presente invención presenta una longitud L (p. ej. la longitud de la tobera, que es preferiblemente de poco más o menos 2'' (50,8 mm) - 3'' (76,2 mm)) que ha sido reducida en comparación con la longitud de la tobera del estado de la técnica para reducir la degradación de la llama que es expulsada de la tobera. En la presente invención también la medida D (p. ej. el diámetro de la tobera, que es preferiblemente de poco más o menos 3/16'' (4,8 mm) - 9/16'' (14,3 mm)) ha sido reducida (en comparación con la del estado de la técnica) para alcanzar una más alta velocidad de salida del chorro de rociado. Estos parámetros ayudan a recubrir por rociado el sustrato con polímeros infusibles.

El material de sustrato de la presente invención puede comprender un material orgánico o un material inorgánico. El material orgánico incluye al menos un material seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de carbón, grafitos, polímero y materiales poliméricos compuestos. El material inorgánico incluye al menos un material de entre los del grupo de los metales y las cerámicas, que serán más ampliamente descritos más adelante en la memoria descriptiva.

El material polímero que es usado en el procedimiento de la presente invención puede ser seleccionado de entre los miembros del grupo que consta de poliimida, poliamidaimida, polieterimida, epoxi, aramida, bismaleimida, fenol, furano, urea, poliéster insaturado, epoxi-acrilato, ftalato de dialilo, éster vinílico, melamina, polímero de nilón, polímero líquido de poliamida aromática, polímero de poliéster, polímero líquido de poliéster aromático, polímero de polipropileno, polímero de poliétersulfona, polímero de sulfuro de polifenileno, polímero de polieteretercetona, polímero de polisulfona, polímero de cloruro de polivinilo, polímero de vinilón, polibenzimidazol, polímero de aramida y fluoropolímero.

Además de los materiales polímeros anteriormente enumerados, los materiales compuestos de polímero también contienen al menos un material de refuerzo que comprende un material de refuerzo orgánico y/o un material de refuerzo inorgánico. El material de refuerzo incluye al menos uno de los miembros del grupo que consta de partículas, filamentos finos, fibras cortadas, fibras, telas y trenzas cuando el material de refuerzo orgánico comprende carbón, polímero de aramida, poli(parafenilenobenzobisaxazol), tereftalato de polietileno, naftalato de polietileno, fluoropolímero y/o grafito y el material de refuerzo inorgánico comprende vidrio, arcilla y/o mica.

Los ejemplos siguientes son realizaciones de la presente invención con los siguientes parámetros desarrollados por el sistema de rociado:

1

3

El recubrimiento de polímero infusible es de gran valor como recubrimiento en un ambiente corrosivo tal como el interior de un reactor 230 de cámara de mordentado de semiconductores como el que se muestra en la Figura 2. La cámara de mordentado tiene los electrodos superior e inferior 210, 220 que son usados para ionizar los gases de reacción 235 creando un plasma de alta energía dentro de la cámara. Los componentes de la cámara de mordentado son típicamente de aluminio y necesitan ser protegidos del ambiente de gas plasma corrosivo que está ahí presente. Éste es por ejemplo el caso de las paredes de la cámara de mordentado tales como las paredes laterales de un soporte de obleas 190 y las paredes interiores 200 que se ilustran en la Figura 2. Si bien el aluminio es el metal que es típicamente usado en una cámara de mordentado, otros metales que pueden ser usados en el procedimiento de la presente invención incluyen el acero, el aluminio, el cobre, el titanio, el bronce, el oro, el plomo, el níquel, el tungsteno, la plata y las aleaciones metálicas. La presente invención puede ser usada sobre cerámicas así como sobre metales para proteger a la cerámica (o al metal) recubierta(o) por rociado de un ambiente corrosivo. Las cerámicas incluyen las siguientes: dióxido de silicio, dióxido de aluminio, óxido de itrio, óxido de cromo, carburo de cromo, carburo de tungsteno, cobalto-carburo de tungsteno, óxido de circonio, óxido de circonio-óxido de itrio, materiales compuestos de alúmina/titania, carburo de cromo-níquel-cromo y carburo de silicio.

Los recubrimientos de polímero infusible protegen las piezas de metal y cerámica en el ambiente corrosivo y son de gran pureza, como se ha mencionado anteriormente. Los ejemplos de tales recubrimientos de polímero infusible para tal protección incluyen los hechos de los polímeros siguientes: polifenilenos, poliétersulfonas, sulfuros de polifenileno, poliimidotioéteres, polioxamidas, poliiminas, polisulfonamidas, poliimidas, polisulfonimidas, poliimidinas, polipirazoles, poliisoxazoles, polibenzoxazoles, polibenzimidazoles, politiazoles, polibenzotiazoles, polioxadiazoles, politriazoles, politriazolinas, politetrazoles, poliquinolinas, poliantrazolinas, polipirazinas, poliquinoxalinas, poliquinoxalonas, poliquinazolonas, politriazinas, politetrazinas, politiazonas, polipirronas, polifenantrolinas, policarbosilanos y polisiloxanos.

Se describen en el siguiente apartado de Ejemplos los ensayos efectuados y los resultados obtenidos usando el método de recubrimiento por termorrociado para polímero infusible.

Ejemplos

Fue efectuado el experimento siguiente: Inicialmente fueron caracterizadas las composiciones en polvo mediante su morfología y sus valores característicos examinados mediante microscopía óptica. Después de eso fueron desarrollados parámetros para obtener recubrimientos sin una significativa degradación del polímero. Fue ejecutado a continuación un procedimiento de preparación de muestras para los ciclos de rociado reales. Los recubrimientos fueron caracterizados por medio de su microestructura y porosidad usando técnicas metalográficas estándar. Los ensayos para determinar el comportamiento de los recubrimientos en materia de cohesión, adherencia y desgaste incluyeron el Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva, el Ensayo de Dureza al Lápiz, el Ensayo de Rayado y el Ensayo de Desgaste con una Máquina de Pruebas de Materiales para la Realización de Ensayos de Desgaste Mediante la Aplicación de una Espiga sobre un Disco (POD). Se tratará más adelante en el texto acerca de estos ensayos y de los datos obtenidos.

Fueron usados dos polvos de poliimida, que estaban hechos de una resina de base sin carga (la Vespel® SP-1 fabricada por DuPont) y de una resina con carga de grafito (la Vespel® SP-21 fabricada por DuPont). En la Tabla 1 se indican los valores característicos para la resina sin carga (Vespel® SP-1) y la resina con carga (Vespel® SP-21).

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TABLA 1 Valores característicos de las resinas de ensayo

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La calidad de un recubrimiento aplicado sobre un sustrato depende principalmente de la temperatura y la velocidad de las partículas antes del impacto con el sustrato. Estos dos parámetros son influenciados por varias variables del proceso HVOF. La relación del caudal de combustible al caudal de oxígeno determina la temperatura de la llama. La velocidad de las partículas se ve influenciada por una mayor cantidad de gas de combustión debido a los caudales y las presiones del oxígeno y del combustible. Así, la velocidad se verá incrementada por la presencia de una más alta presión en la tobera.

Las muestras que fueron preparadas para los distintos tipos de ensayos fueron testigos de 1 x 3 (de 0,12'' (3,1 mm) de espesor) y discos de desgaste de un diámetro de 2,4'' (60 mm). Antes del rociado las muestras fueron sometidas a chorreo con granalla cortante para aumentar la adherencia entre sustrato y recubrimiento. Los materiales de sustrato fueron acero 1040 y aluminio, y los materiales de recubrimiento fueron la poliimida sin carga y la poliimida con una carga de un 15% de grafito. Las muestras con todos los sustratos y todos los recubrimientos fueron sinterizadas según el método siguiente: Las piezas fueron puestas en un horno a una temperatura de menos de 140ºC. El horno fue purgado con nitrógeno a razón de un caudal de 4 pies cúbicos en condiciones normales por minuto hasta que el nivel de oxígeno llegó a ser de menos de un 0,2%. La temperatura fue aumentada gradualmente desde 140 hasta 400ºC a una velocidad máxima de incremento de la temperatura de 90ºK por hora. Se puso fin al incremento gradual de la temperatura cuando la temperatura llegó a ser de 395 a 400ºC. La temperatura de 395 a 400ºC fue mantenida por espacio de aproximadamente tres horas +/- 10 minutos. Se desconectó el horno y se retiraron las piezas cuando la temperatura llegó a ser de 50ºC. Así, fueron estudiadas ocho distintas combinaciones de sustrato/recubrimiento/tratamiento postdeposición. Cada una de las combinaciones fue sometida a ensayo con distintos métodos de ensayo, y se registraron los efectos de los distintos sustratos, de la carga y de la sinterización en las propiedades del recubrimiento para la evaluación del recubrimiento.

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TABLA 2 Sustrato/Recubrimiento/Tratamiento Postdeposición

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Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva

Fue usado un Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva para medir la adherencia de los recubrimientos. El espesor medio de las muestras era de más de 125 \mum (0,005''), y por consiguiente se usó el método de ensayo A según la norma ASTM D3359-95 (de los "Métodos de Ensayo Normalizados para Medir la Adherencia Mediante el Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva", Publicación de la Asociación Americana para los Ensayos y los Materiales, de Filadelfia, abril de 1995, que queda incorporada a la presente por referencia). Se hace en la película un corte en X hasta el sustrato, se aplica sobre el corte cinta adhesiva piezosensible y se procede a continuación a retirar dicha cinta adhesiva, y se evalúa cuantitativamente la adherencia según la siguiente escala de 0 a 5:

5A Ausencia de peladura o remoción;

4A Trazas de peladura o remoción a lo largo de las incisiones o en su intersección;

3A Remoción dentellada a lo largo de las incisiones de hasta 1,6 mm (1/16 de pulgada) a cada lado;

2A Remoción dentellada a lo largo de las incisiones de hasta 3,2 mm (1/8 de pulgada) a cada lado;

1A Remoción de la mayor parte de la zona de la X bajo la cinta; y

0A Remoción hasta más allá de la zona de la X.

El ensayo fue efectuado usando cinta 3M Scotch 600 de 25,4 mm (1 pulgada) de anchura. Se indican en la Tabla 3 los resultados del Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva.

TABLA 3 Resultados del Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva

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La tendencia que se observa a la luz de esta tabla es la de que el proceso de sinterización incrementaba la adherencia del recubrimiento al sustrato y también incrementaba la cohesión dentro del recubrimiento. No quedaron de manifiesto en este ensayo influencias del material de sustrato o de la carga.

Ensayo de Dureza al Lápiz

Un Ensayo de Dureza al Lápiz permite establecer una comparación relativa de muestras y no proporciona un valor absoluto de la dureza del recubrimiento. El Ensayo de Dureza al Lápiz debe ser llevado a cabo como se indica a continuación según la norma ASTM D3363-92a (de los "Métodos de Ensayo Normalizados para la Determinación de la Dureza de Película mediante el Ensayo de Dureza al Lápiz", Publicación de la Asociación Americana para los Ensayos y los Materiales, enero 1993): Se coloca sobre una superficie horizontal firme un panel recubierto. Se sujeta firmemente el lápiz aplicándolo contra la película a un ángulo de 45 grados (con la punta de espaldas al operador) y se empuja el lápiz alejándolo del operador haciendo un trazo de 6,5 mm (1/4 de pulgada). El proceso es iniciado con el lápiz más duro y es continuado bajando por la escala de dureza hasta uno de dos puntos finales: uno es aquél que corresponde al lápiz que no corta la película o no penetra en la misma (dureza al lápiz), y el otro es el que corresponde al lápiz que no raya la película (dureza al rayado). En este caso fue sometida a ensayo la dureza al lápiz. Los lápices que se usan para este ensayo se ajustan a la siguiente escala de dureza:

6B-5B-4B-3B-2B-B-HB-F-H-2H-3H-4H-5H-6H

{}\hskip4cm más blando \hskip3,2cm más duro

Los resultados de los ensayos de dureza al lápiz de la presente invención están resumidos en la Tabla 4 usando la escala de dureza anteriormente indicada.

TABLA 4 Resultados del Ensayo de Dureza al Lápiz

9

En la Tabla 4, en el caso del material sin carga el sustrato y el proceso de sinterización parecen carecer virtualmente de efecto en la dureza (p. ej. para el acero la dureza disminuyó ligeramente, y para el aluminio la dureza se mantuvo al nivel de F). En el caso del material con carga, el ensayo demostró que el proceso de sinterización incrementó la dureza del recubrimiento, que se vio mejorada en aproximadamente 1/2 punto de la escala de dureza. Sobre el sustrato de acero, el material con carga presentó una más alta dureza al lápiz en comparación con el material sin carga. La dureza al lápiz era más alta para el material con carga sobre el sustrato de acero en comparación con la registrada sobre el sustrato de aluminio tanto en el caso en el que no se efectuó sinterización como en el caso en que se efectuó sinterización.

Los resultados del Ensayo de Dureza al Lápiz pueden ser marcadamente dependientes del operador, a pesar del hecho de que recubrimientos con distintas características presentaron distintas durezas al lápiz. Por consiguiente, es importante someter las muestras a ensayo bajo las mismas condiciones, particularmente con respecto a la agudeza del lápiz y a la fuerza y al ángulo con que el mismo es aplicado.

Ensayo de Rayado

El Ensayo de Rayado puede ser llevado a cabo en un aparato que usa un sencillo dispositivo que aplica una carga fija a una aguja afilada que es arrastrada por sobre una superficie de un recubrimiento. La profundidad de rayado resultante es medida usando un rugosímetro de palpador y es comparada con los rayados efectuados con la misma carga en distintos recubrimientos. El Ensayo de Rayado es un método fácil para investigar la cohesión de un recubrimiento. A fin de reducir los errores en la lectura del rugosímetro, las superficies de las muestras fueron pulimentadas con papel abrasivo seco. A fin de contar con un espesor suficiente para el ensayo, la pulimentación tenía que ser efectuada con cuidado para asegurar que el recubrimiento tuviese al menos 190 \mum de espesor después de la pulimentación. Era también importante asegurar que la superficie fuese lo suficientemente lisa como para permitir que tuviese lugar una correcta lectura del rugosímetro. La gama de cargas para el ensayo de rayado iba desde 500 g hasta 2000 g en escalonamientos de 250 g.

Están ilustrados en los gráficos que se muestran en las Figuras 5-13 los resultados de los ensayos de rayado en la presente invención. Cada gráfico es representativo de las propiedades de la muestra sometida a ensayo (como p. ej. en la Figura 5, Acero, con carga, recubrimiento no sinterizado frente a recubrimiento sinterizado, ...). En algunos casos la carga de 2000 g produjo un rayado tan profundo que quedaba fuera de la gama de valores del rugosímetro. En ese caso el valor de la profundidad de rayado para la carga de 2000 g está más allá de la gama de valores que se ilustra en las Figuras. Cada profundidad de rayado era la media de cuatro mediciones efectuadas con el rugosímetro.

Las Figuras 5 y 6 ilustran los resultados de los ensayos de rayado para material sin carga y con carga sobre acero. El proceso de sinterización incrementó la densidad del recubrimiento y acrecentó su cohesión, redundando en una más alta resistencia al rayado. La profundidad de rayado para el caso en el que se efectuó sinterización era menor con una diferencia de 6 \mum por término medio. Las Figuras 7 y 8 comparan el material sin carga con el material con carga sobre acero. Con alguna ligera desviación, la carga no presentó influencia alguna en la resistencia al rayado. A pesar del hecho de que la resistencia al rayado depende de la cantidad de enlaces moleculares, no pudo percibirse el esperado efecto de reducción de enlaces de una carga.

No se dispuso de los resultados del ensayo de rayado para la combinación formada por el sustrato de aluminio y el recubrimiento sin carga y sinterizado. La Figura 9 muestra claramente el efecto de acrecentamiento de la resistencia al rayado que es ejercido por el proceso de sinterización para el material con carga aplicando como recubrimiento sobre un sustrato de aluminio. La profundidad de rayado es menor con una diferencia de 9 \mum de promedio. La Figura 10 compara el material sin carga con el material con carga cuando dicho material está aplicado como recubrimiento sobre un sustrato de aluminio y no está sinterizado. Análogamente a los resultados del sustrato de acero, el material con carga y el material sin carga presentaron la misma resistencia al rayado dentro de un margen de desviación
experimental.

Las Figuras 11 a 13 comparan la resistencia al rayado sobre sustrato de acero y sobre sustrato de aluminio. Se observó que la resistencia al rayado era más alta para el sustrato de aluminio en comparación con el sustrato de acero. La resistencia al rayado para las muestras de aluminio era más alta que la resistencia al rayado para las muestras de acero, independientemente de si el recubrimiento había sido sinterizado o no había sido sinterizado.

Para ambos sustratos y para material sin carga y con carga, los diagramas muestran claramente la influencia de la sinterización. El material sinterizado presentaba una menor profundidad de rayado independientemente del sustrato y de la carga. El proceso de sinterización obviamente hizo que el recubrimiento fuese más denso y acrecentó su cohesión incrementando la cantidad de enlaces, lo que redundó en una más alta resistencia al rayado.

Ensayo de Desgaste

En una máquina de pruebas de materiales para la realización de ensayos de desgaste mediante la aplicación de una espiga sobre un disco (POD), el disco de desgaste con el recubrimiento es sujetado con un tornillo a un disco rotativo que es puesto en rotación por el motor de la máquina de pruebas de materiales para la realización de ensayos de desgaste. La espiga con la bola de acero aplica la carga de ensayo al disco de desgaste y puede ser desplazada hacia ambos lados a fin de variar el radio de la huella de desgaste. Según este radio de la huella de desgaste, las rotaciones por minuto del disco rotativo tenían que ser variadas a fin de alcanzar la misma velocidad de deslizamiento. La espiga también contenía los sensores para medir las fuerzas durante el ensayo de desgaste, estando dichos sensores conectados al ordenador de control.

Los ensayos de desgaste fueron efectuados usando un tribómetro para la realización de ensayos de desgaste mediante la aplicación de una espiga sobre un disco según la norma ASTM G 99-90. El contracuerpo era una bola de acero 52100 de 10 mm de diámetro en todos los casos. Se mantuvo una velocidad de deslizamiento constante de 0,65 m/seg. Los ensayos fueron efectuados con cada disco según dos huellas de desgaste cuyos radios eran de 17 y 21 mm. A fin de mantener la velocidad de deslizamiento constante, las rpm del disco eran variadas correspondientemente. La duración del ensayo era de 10000 ciclos, y el medio interfacial entre el recubrimiento y la bola de acero era aire. Para cada una de las ocho condiciones se contaba con dos discos de los cuales uno fue sometido a ensayo con dos huellas de desgaste con una carga de 10 N, utilizándose para el segundo una carga de 20 N. Los discos fueron primeramente pulimentados con papel abrasivo seco a fin de reducir el ruido en la lectura del rugosímetro. Otro problema que surgió fue el del perfil "ondulado" de los discos de desgaste debido a las distintas pasadas efectuadas durante el rociado. Fueron registrados durante los ensayos de desgaste por deslizamiento los parámetros siguientes: a) el área de la sección transversal de las huellas de desgaste fue medida como la media de cuatro mediciones usando el rugosímetro, y las integrales bajo las curvas resultantes fueron calculadas por un ordenador; y b) el coeficiente de rozamiento fue registrado desde el tribómetro usando un sistema de adquisición de datos. (El coeficiente de rozamiento fue promediado dentro de un periodo útil de rotaciones (de los 6000 a los 8000 ciclos de promedio), es decir que no fueron tomados en consideración los efectos de "rodaje" hasta haber sido efectuadas las primeras 2000 rotaciones. También los escalonamientos bruscos en las curvas de fricción fueron promediados dentro de un periodo útil de
rotaciones).

A efectos comparativos fueron también llevados a cabo ensayos de desgaste con muestras hechas de piezas de poliimida producidas convencionalmente. La poliimida usada fue la Vespel® SP-1 fabricada por DuPont para la muestra sin carga, y la Vespel® SP-21 fabricada por DuPont para las muestras que tenían un 15% de carga de grafito. Como era de esperar, estas muestras presentaron características funcionales mejores que las de las muestras recubiertas, como se muestra en las Figuras 14 - 29. Sin embargo, debido al hecho de que dichas muestras están hechas completamente de poliimida, las mismas son bastante más caras que las muestras recubiertas, que están hechas de un económico sustrato metálico con un delgado recubrimiento de poliimida. Las muestras recubiertas presentan las deseables características de la poliimida, a un coste total muy inferior.

Uno de los discos cuya configuración era la de sustrato de Al con recubrimiento con carga y no sinterizado, que debía ser sometido a ensayo con una carga de 20 N, tenía un recubrimiento muy delgado. Debido a eso, el recubrimiento se desgastó por completo durante el ensayo, y no pudieron determinarse valores para el área y la anchura de la huella de desgaste. Puesto que el recubrimiento quedó totalmente eliminado por desgaste tras haber sido efectuados aproximadamente 8000 ciclos, podían aún usarse los valores para el coeficiente de rozamiento. Todos los resultados siguientes fueron la media de los resultados para las huellas de desgaste que tenían un radio de 17 y de 21 mm. Las Figuras 14 y 15 muestran los resultados para 10 y 20 N sobre un sustrato de acero. Los recubrimientos aplicados por rociado del material con carga presentaron una mayor cantidad de desgaste (10 N: 4782 \mum^{2}, 20 N: 10636 \mum^{2}) en comparación con los hechos a base del material sin carga (10 N: 4070 \mum^{2}, 20 N: 7659 \mum^{2}). En los casos en los que el recubrimiento había sido sinterizado no había una manifiesta diferencia entre el material sin carga y el material con carga. Se cree que esto es debido al hecho de que el proceso de sinterización incrementa la densidad e iguala la diferencia entre el material con carga y el material sin carga.

Las Figuras 16 y 17 muestran los resultados para recubrimientos aplicados sobre sustratos de aluminio. Cuando no estaba sinterizado y cuando estaba sinterizado, el material con carga presentó una mayor área de la huella de desgaste (10 N: 7536 \mum^{2} sin sinterizar, 6771 \mum^{2} sinterizado) en comparación con el material sin carga (10 N: 3535 \mum^{2} sin sinterizar, 4250 \mum^{2} sinterizado). Contrariamente al caso del sustrato de acero, la sinterización parecía mejorar tan sólo las propiedades del material con carga, pero no igualó la diferencia entre el material con carga y el material sin carga. Sobre sustrato de aluminio los recubrimientos sin carga y sinterizados presentaron un desgaste aún mayor en comparación con el de los recubrimientos no sinterizados.

Las Figuras 18 y 19 muestran los resultados para recubrimientos no sinterizados sobre sustratos de acero y de aluminio. Al comparar los resultados para 10 y 20 N en el caso en el que los recubrimientos carecían de carga parecía que en distintos puntos en el tiempo el sustrato de acero y el sustrato de aluminio presentaban un mayor desgaste. De acuerdo con el mecanismo en virtud del cual los recubrimientos aplicados sobre aluminio deberían presentar menor resistencia, en el caso en el que los recubrimientos tenían carga era mucho más significante la diferencia entre el acero y el aluminio (acero: 4782 \mum^{2} frente a aluminio: 7536 \mum^{2}). Se cree que ha sido debida a una combinación de factores la más baja densidad de los recubrimientos aplicados por rociado sobre sustratos de aluminio, la cual redundó en una mayor cantidad de desgaste. Estos factores incluyen en el de la menor cohesión dentro del recubrimiento debido a la incrementada transferencia de calor al sustrato, el de la más baja densidad durante el rociado y la sinterización, y el de las variaciones en el grado de reticulación.

Las Figuras 20 y 21 comparan recubrimientos sinterizados sobre sustratos de acero y de aluminio. Se creía que el proceso de sinterización igualaría los distintos grados de densificación entre acero y aluminio, si bien el experimento arrojó un resultado sorprendente. Para material con carga y material sin carga, los recubrimientos aplicados sobre sustrato de aluminio aún presentaban cantidades de desgaste mucho mayores que las de los aplicados sobre acero. El proceso de sinterización parecía tan sólo igualar la diferencia entre material sin carga y material con carga sobre acero en cuanto al comportamiento en materia de desgaste. Dicho proceso de sinterización no podía igualar la diferencia entre los recubrimientos aplicados sobre sustratos de acero y los recubrimientos aplicados sobre sustratos de aluminio. Se cree que esto es el resultado de la más alta conductividad térmica del aluminio con sus efectos en la cohesión y en las tensiones durante la sinterización. Estos resultados indican que las propiedades del recubrimiento son dependientes de las propiedades del sustrato. Puede lograrse una optimización de las deseadas propiedades de fricción y de desgaste, así como del coste total, a base de seleccionar el adecuado sustrato en combinación con un polímero infusible con carga o sin carga.

Las Figuras 22 y 23 comparan el coeficiente de rozamiento (COF) para material sin carga y con carga sobre acero. Los recubrimientos aplicados por rociado del material con carga presentaron un coeficiente de rozamiento más bajo (de 0,366 de promedio) que el de los recubrimientos hechos de material sin carga (de 0,411 de promedio). Para el material sin carga el proceso de sinterización parecía carecer virtualmente de influencia en cuanto a incrementar el coeficiente de rozamiento a base de incrementar la densidad. En cuanto al material con carga, no había virtualmente diferencia alguna entre los recubrimientos sinterizados y los recubrimientos no sinterizados dentro del margen de variación experimental.

Las Figuras 24 y 25 muestran el coeficiente de rozamiento para recubrimientos aplicados por rociado sobre sustratos de aluminio. Como era de esperar, el material con carga presentó un coeficiente de rozamiento más bajo (de 0,363) que el del material sin carga (de 0,463). En cuanto al material sin carga, la tendencia fue difícil de determinar puesto que los resultados variaban en gran medida para las cargas de 10 y 20 N, si bien el material con carga de nuevo no presentaba influencia alguna de la sinterización.

Las Figuras 26 y 27 no presentan una clara diferencia según la teoría entre los coeficientes de rozamiento para recubrimientos no sinterizados aplicados por rociado de material sin carga y material con carga sobre sustratos de acero y de aluminio.

Las Figuras 28 y 29 comparan los coeficientes de rozamiento para recubrimientos sinterizados sobre sustrato de acero y de aluminio. Puesto que los resultados para el material sin carga variaban en gran medida, fue de nuevo difícil evaluar una tendencia. El material con carga presentaba sobre aluminio un coeficiente de rozamiento más bajo que el que presentaba sobre acero (0,349 frente a 0,378). Una posible explicación es de nuevo la de la combinación de factores tales como la mejorada cohesión debido a la incrementada transferencia de calor y quizá el grado de reticulación. Sobre el sustrato de aluminio los recubrimientos sinterizados presentaron menor resistencia y un coeficiente de rozamiento más bajo en comparación con los aplicados sobre acero. Esto pudo ser también confirmado por los resultados para el área de la huella de desgaste, donde los recubrimientos sobre sustrato de aluminio presentaron mayores cantidades de desgaste, lo cual correspondía al más bajo grado de cohesión y a los factores que han sido mencionados anteriormente. De nuevo el proceso de sinterización no igualó la diferencia de cohesión entre los sustratos de acero y los sustratos de aluminio.

Los experimentos demostraron que las Poliimidas pueden ser rociadas utilizando la técnica HVOF, y que pueden ser así producidos recubrimientos adherentes. Los ensayos de desgaste pusieron de manifiesto los efectos beneficiosos del proceso de sinterización. Fue llevada a cabo una extensa gama de ensayos para caracterizar la adherencia, la cohesión, la dureza y la actuación en materia de desgaste por deslizamiento de los recubrimientos.

El Ensayo de Adherencia con Cinta Adhesiva demostró que la sinterización acrecentaba la adherencia y la cohesión, mientras que el sustrato y la carga carecían de influencia. Con respecto a la dureza de los recubrimientos, el Ensayo de Dureza al Lápiz dio información acerca del efecto de incremento de la dureza que es ejercido por la sinterización y acerca del hecho de que los recubrimientos aplicados sobre acero presentan una dureza más alta que la de los recubrimientos aplicados sobre aluminio. Los ensayos de rayado demostraron el efecto de acrecentamiento de la cohesión que es ejercido por la sinterización, lo que redunda en una menor profundidad de rayado independientemente del sustrato y de la carga. El potencial mecanismo de desgaste fue descrito mediante un modelo de los efectos de distintos factores tales como la carga y el sustrato. La carga de grafito debería tener un efecto de lubricación y reducción de enlaces, redundando en más bajos coeficientes de rozamiento y en mayores cantidades de desgaste. Debido a la más alta conductividad térmica, los recubrimientos aplicados sobre sustratos de aluminio deberían presentar menos cohesión y por consiguiente menor resistencia al desgaste. La sinterización debería incrementar la cohesión del recubrimiento e igualar las diferencias entre los materiales con carga y los materiales sin carga y entre los recubrimientos aplicados sobre sustratos de acero y los recubrimientos aplicados sobre sustratos de aluminio.

Con respecto al área de la huella de desgaste pudieron ser confirmados algunos puntos del modelo. El material con carga presentó mayores cantidades de desgaste debido a la menor cohesión por causa de la carga. Los recubrimientos sobre aluminio presentaron mayores cantidades de desgaste en comparación con los recubrimientos sobre acero. La sinterización igualó la diferencia en cuanto al comportamiento en materia de desgaste entre el material con carga y el material sin carga sobre acero pero no sobre aluminio. Como se suponía en el modelo, tampoco fue igualada la diferencia entre los recubrimientos sobre acero y los recubrimientos sobre aluminio.

Con respecto al coeficiente de rozamiento, los experimentos demostraron que el material con carga presentaba un coeficiente de rozamiento más bajo que el del material sin carga. Además de las cantidades de desgaste, los resultados obtenidos para el coeficiente de rozamiento no pudieron sustentar la suposición de que los recubrimientos sobre aluminio presentan menor resistencia al desgaste y por consiguiente coeficientes de rozamiento más bajos que los de los recubrimientos sobre acero debido a la reducida cohesión. De nuevo no pudo observarse un efecto igualador de la sinterización entre los recubrimientos aplicados sobre sustratos de acero y los recubrimientos aplicados sobre sustratos de aluminio.

Es por consiguiente evidente que según la presente invención ha sido aportado un procedimiento que es para aplicar como recubrimientos por rociado polímeros infusibles sobre un sustrato/una superficie a proteger y alcanza plenamente los objetivos y las ventajas que han sido expuestos anteriormente. Si bien esta invención ha sido descrita en conjunción con una realización específica de la misma, es evidente que resultarán obvias para los expertos en la materia muchas alternativas, modificaciones y variaciones. En consecuencia, se pretende englobar todas aquellas alternativas, modificaciones y variaciones que quedan dentro del espíritu y del más amplio alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

1. Método que es para aplicar como recubrimiento por rociado uno o varios polímeros infusibles a un sustrato y comprende los pasos de:

generar una combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF);

rociar una corriente de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) que contiene al menos un polímero infusible en polvo desde una tobera alargada después de y en comunicación fluídica con dicha combustión de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF), comprendiendo dicha tobera alargada un cañón que tiene un ánima central con una abertura de entrada y una abertura de salida, siendo dicho polímero infusible en polvo, que es al menos uno, aportado al interior de dicha corriente de combustible y oxígeno a alta velocidad (HVOF) en un punto que se encuentra dentro de dicha tobera alargada después de dicha abertura de entrada para recubrir dicho sustrato con el polímero infusible que es al menos uno; y

hacer que un fluido refrigerante circule externamente por en torno al cañón de dicha tobera alargada.

2. Método según la reivindicación 1, en el que dicho polímero infusible, que es al menos uno, comprende uno o varios de los miembros del grupo que consta de polifenilenos, poliétersulfonas, poliimidotioéteres, polioxamidas, poliiminas, polisulfonamidas, poliimidas, polisulfonimidas, poliimidinas, polipirazoles, poliisoxazoles, polibenzoxazoles, polibenzimidazoles, politiazoles, polibenzotiazoles, polioxadiazoles, politriazoles, politriazolinas, politetrazoles, poliquinolinas, poliantrazolinas, polipirazinas, poliquinoxalinas, poliquinoxalonas, poliquinazolonas, politriazinas, politetrazinas, politiazonas, polipirronas, polifenantrolinas, policarbosilanos y polisiloxanos.

3. Método según la reivindicación 1, en el que dicho sustrato comprende una superficie lisa que tiene 250 micras o menos de rugosidad antes del recubrimiento por rociado.

4. Método según la reivindicación 3, que comprende adicionalmente el paso de impartir rugosidad a dicha superficie lisa antes del paso de recubrir por rociado a dicho sustrato.

5. Método según la reivindicación 1 o 4, que comprende adicionalmente el paso de postcurar el recubrimiento de al menos un polímero infusible aplicado por rociado a dicho sustrato.

6. Método según la reivindicación 5, en el que dicho postcurado comprende el paso de sinterizar el polímero infusible que es al menos uno y ha sido aplicado como recubrimiento por rociado a dicho sustrato.

7. Método según la reivindicación 6, en el que dicha sinterización comprende el paso de calentar el polímero infusible que es al menos uno y ha sido aplicado como recubrimiento por rociado a dicho sustrato, no debiendo ser sobrepasada en el calentamiento una temperatura máxima de 450ºC en un recinto cerrado que tiene una atmósfera inerte.