ES2360732A1 - Método de obtención de recubrimientos porosos mediante proyección térmica asistida por láser. - Google Patents
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Abstract
La presente invención describe un procedimiento para la obtención de recubrimientos metálicos muy porosos sobre un sustrato mediante proyección térmica de material fundido asistido por láser que comprende: focalización del haz láser sobre la superficie del material precursor; extracción del material fundido mediante la inyección de un chorro de gas, forma oblicua con respecto al haz láser y en régimen supersónico formando un flujo bifásico (material fundido/gas), desplazamiento relativo del haz láser con respecto al material precursor y sustrato para recubrir de forma continua el material sustrato. Los recubrimientos porosos generados por dicho procedimiento así como un dispositivo adecuado para su puesta en práctica son también objeto de esta invención.
Description
Método de obtención de recubrimientos porosos
mediante proyección térmica asistida por láser.
La presente invención se refiere a un método
para obtener recubrimientos metálicos muy porosos, como por ejemplo
aceros, aluminio, cobre y aleaciones, sobre un sustrato, mediante la
aplicación de una radiación láser.
Mediante esta nueva técnica objeto de la
presente invención, es posible obtener recubrimientos con un elevado
grado de porosidad de materiales metálicos como aceros, aluminio,
cobre y aleaciones, etc sobre materiales cerámicos como la
cordierita, siendo el rendimiento de deposición muy elevado,
pudiendo tener el sustrato cualquier tipo de forma geométrica y sin
ser necesario, que el material de aporte se encuentre en forma de
polvos. Para llevar a cabo esta técnica no es necesaria preparación
alguna del material cerámico a recubrir ni tampoco del material
precursor con el que vamos a llevar a cabo el recubrimiento.
La aplicación de recubrimientos cerámicos sobre
un substrato metálico con objeto de mejorar su resistencia al
desgaste o a la corrosión viene siendo objeto de estudio durante
décadas. Sin embargo, pocos esfuerzos han sido encaminados a la
posibilidad de obtener recubrimientos metálicos sobre un material
cerámico.
Asimismo, la obtención de materiales celulares,
materiales con un elevado grado de porosidad, ha sido objeto de un
intensivo estudio en las últimas décadas ya que estos presentan una
serie de propiedades muy interesantes, como por ejemplo: elevada
dureza, bajo peso, baja conductividad eléctrica y térmica,
resistencia al fuego, apantallamiento acústico,... propiedades que
los capacitan como excelentes candidatos para ser utilizados en
aplicaciones muy diversas como por ejemplo: materiales estructurales
ligeros, materiales para la absorción de impactos en diferentes
elementos de un automóvil o en aplicaciones de apantallamiento
térmico.
La obtención de tales materiales celulares
requiere, en general, seguir un complejo proceso de elaboración ya
que se necesita normalmente un cierto tiempo de preparación en una
atmósfera controlada en la cual, presión, temperatura, tipo de gas,
etc. han de ser los adecuados; por otro lado, suele ser
imprescindible la utilización de materiales adicionales tales como
los llamados agentes espumantes, los cuales son los que van a
generar en última instancia la porosidad.
La utilización de recubrimientos porosos sobre
materiales cerámicos presenta unas perspectivas muy interesantes ya
que este tipo de recubrimientos pueden actuar, por ejemplo, como
pantallas térmicas de materiales cerámicos que son usados en hornos,
revestimiento de piezas para motores, cámaras de combustión,
etc.
La presente invención presenta una nueva técnica
basada en la tecnología láser para la obtención de recubrimientos
metálicos con un elevado grado de porosidad sobre un material
cerámico.
La presente técnica consiste en la aplicación
combinada de un haz láser de alta potencia sobre el material
precursor con el objeto de fundirlo y un chorro gaseoso con una
elevada velocidad y direccionalidad con objeto de transportar dicho
material fundido hasta la superficie de la pieza a recubrir en forma
de pequeñas partículas o microhilos. Tras impactar estas
micropartículas o microhilos con tan elevada velocidad, permanecen
fuertemente adheridos sobre el material a recubrir. La realización
de sucesivas pasadas, permite obtener un recubrimiento con una
elevada rugosidad y un alto grado de porosidad.
La presente patente ofrece las siguientes
ventajas:
- -
- Elevada eficiencia de deposición.
- -
- No es necesaria una atmósfera controlada.
- -
- Tanto el material precursor como el sustrato no requieren una preparación previa.
- -
- El material precursor se alimenta en forma de lámina, placa o varilla, por lo que no es necesaria su utilización en forma de polvo con granulometría controlada como en otras técnicas.
- -
- La integración del sistema de recubrimiento permite una fácil automatización e integración en sistemas de fabricación flexible.
Otras posibles aplicaciones de este tipo de
recubrimientos pueden ser su utilización como disipador de calor,
como catalizadores químicos, como absorbentes de impactos (siendo
esto muy interesante en el caso de los materiales cerámicos ya que,
como es bien sabido, presentan una baja resistencia frente a
impactos. Por tanto, mediante la deposición de un recubrimiento
poroso de este tipo y con un cierto espesor, sobre un material
cerámico, este podría soportar impactos de mayor magnitud que
aquellos que podría soportar sin estar recubierto).
La obtención de recubrimientos porosos sobre
materiales cerámicos se lleva a cabo mediante un sistema tal como el
que se representa en la figura 1. Este método consiste básicamente
en lo siguiente: El haz láser (1) es conducido por medio de un
sistema de guiado, tal como fibra óptica o espejos, en función del
tipo de fuente láser que empleemos, hasta el material precursor (8).
Hemos de disponer de un sistema que establezca un movimiento
relativo entre el haz láser (1) y el material precursor (8). Este
movimiento relativo puede llevarse a cabo moviendo el haz láser (1)
y permaneciendo el reposo el material precursor (8) o a la inversa,
moviendo el material precursor (8) y permaneciendo en reposo el haz
láser (1). A su vez el material sustrato (9), a recubrir, se ha de
situar a cierta distancia del sistema anterior y sobre un soporte
que bien puede ser móvil o estático con respecto al material
precursor. Los mencionados sistemas móviles pueden consistir en un
robot de cualquier tipo, en una mesa de coordenadas de cualquier
tipo, o en una combinación de ambos sistemas. Este sistema ha de
encontrarse conectado a un sistema de control automático de posición
tanto del material precursor (8) como de la pieza a recubrir (9),
que, por ser de uso común en equipos industriales, no se muestra en
la figura.
Esta técnica requiere que el material precursor
sea fundido. Para ello, el haz láser (1) debe ser focalizado por
medio de un; sistema focalizador (2) con el objeto de concentrar la
mayor cantidad de energía posible en la mínima área. Este sistema de
focalización (2) puede consistir tanto en un par de espejos, uno de
ellos plano y el otro parabólico por ejemplo, como en una simple
lente o combinaciones de ellas. El sistema de focalización (2) se ha
de seleccionar como aquel más apropiado en función del tipo y
potencia del láser que vayamos a utilizar.
Para llevar a cabo el proceso de recubrimiento
se necesita además de la acción de un haz láser (1), un chorro de
gas (5) de elevada velocidad y direccionalidad. Dicho chorro se
conseguirá mediante su aportación en régimen supersónico por medio
de una boquilla convergente-divergente (4). La
función de este chorro será la de extraer el material que funde el
haz láser (1) en su interacción con el material precursor (8) y
transportarlo hasta la superficie del material a recubrir (9).
Además, debe tener una alta velocidad y direccionalidad con el
objeto de que la eficiencia del proceso sea elevada y que el
material extraído de la zona de interacción haz láser (1) - material
precursor (8), sea transportado en forma de micropartículas o
microhilos (6), parcial o totalmente solidificados y con energía
cinética suficientemente elevada como para que cuando colisionen con
el material a recubrir (9) se adhieran firmemente a éste. Por otra
parte, el chorro de gas asistente (5) puede formar un cierto ángulo
con respecto al eje del haz láser (1) para que la extracción del
material fundido se lleve a cabo de una forma más apropiada. Este
ángulo puede variar entre 20º y 40º.
Por tanto, a partir del movimiento relativo del
haz láser focalizado (1) respecto al material precursor (8)
conseguimos de forma continua material fundido que es extraído por
el chorro de gas asistente (5) y transportado parcialmente
solidificado en forma de micropartículas o microhilos (6) hasta la
superficie del material a recubrir (9). Ya que estas micropartículas
o microhilos (6) poseen una muy elevada energía cinética se
adherirán firmemente a la superficie del material sustrato (9). Por
último, dotando de un movimiento relativo al material sustrato (9)
con respecto al sistema constituido por haz láser (1) y sistema de
focalización (2), material precursor (8) y boquilla
convergente-divergente (4) conseguimos, a base de
realizar pasadas consecutivas, llevar a cabo el recubrimiento de una
superficie, siendo el recubrimiento que se obtiene un recubrimiento
con una elevada porosidad y rugosidad.
El material precursor (8) puede encontrarse en
forma de chapa, pletina, varilla, hilo, cinta, etc. El formato bajo
el cual se presente el material precursor (8) a la sección del haz
láser (1) será aquel que resulte más adecuado en función de la
naturaleza del propio material precursor.
El gas asistente que se eyecta por medio de la
boquilla convergente-divergente (4) en régimen
supersónico con el objeto de extraer el material fundido y
transportarlo hasta la superficie del material a recubrir, puede ser
un gas inerte (Ar, He, Ne, N_{2}), un gas oxidante (O_{2},
CO_{2}, aire comprimido) o una mezcla de varios de estos gases.
Por otra parte, dicho gas asistente ha de ser canalizado hasta la
boquilla convergente divergente (4) a través de un conducto adecuado
(3) que puede ser, por ejemplo, un tubo flexible de poliuretano, un
tubo semi-rígido de poliamida o un tubo rígido
metálico.
La fuente láser que genera el haz láser
necesario para conseguir fundir el material precursor (8) puede
provenir de un equipo láser de cualquier longitud de onda como, por
ejemplo, un láser de CO_{2}, de CO, de N_{2}, de Nd:YAG, de
Er:YAG, de Nd:vidrio, de Yb:YAG; de Rubí, de HeNe, de HeCd, de HeHg,
de Cu, de I, de Ar, de Kr, de diodo, de fibra, de disco, químicos,
de excímeros, de alejandrita, de esmeralda o de colorante. Sin
embargo dicha fuente láser debe emitir un haz láser con una longitud
de onda apropiada para que la energía de este haz láser (1) se
acople de manera eficiente al material precursor (8) y consiga
fundirlo. Los mejores resultados se han obtenido utilizando un láser
de CO_{2}, de diodo, de fibra o de Nd:YAG. La potencia necesaria
para este tipo de láseres debe ser suficiente para que el haz láser
(1) que emite, una vez sea concentrado por medio del sistema de
focalización, sea capaz de fundir de forma correcta el material
precursor. Los mejores resultados han sido obtenidos cuando se
trabaja con una potencia entre 500 y 3000 W.
El método de la presente intención ha sido
empleado para producir un recubrimiento poroso de una aleación de
aluminio-cobre (designación internacional
2024-T3) sobre una placa de cordierita
(2MgO\cdot2Al_{2}O_{3}\cdot5SiO_{2}) de superficie
ondulada de dimensiones 32,5 mm x 22,3 mm x 9 mm. El material
precursor se encuentra en forma de chapa con un espesor de 3 mm.
La fuente láser empleada fue un láser de
CO_{2} trabajando en modo continuo y suministrando 2000 W de
potencia media del haz láser. El haz láser fue focalizado 2 mm por
debajo de la superficie del material precursor por medio de una
lente de ZnSe con una longitud focal de 127 mm. Con el objeto de
extraer el material que funde el haz láser en su interacción con el
material precursor y transportarlo hasta la superficie del material
a recubrir empleamos un chorro de argón por medio de una boquilla
convergente-divergente diseñada para trabajar a un
número de Mach M=2. El chorro de gas se inyectó bajo una
configuración oblicua con respecto al haz láser, formando un ángulo
entre 30º y 50º con éste.
El material precursor se posicionó
aproximadamente a unos 250 mm sobre el sustrato. Tanto el material
precursor como el material sustrato se movieron aproximadamente 300
mm con respecto al haz láser y a una velocidad constante de 4000
mm/min. Se llevaron a cabo 100 pasadas para obtener el recubrimiento
de un área aproximada de 400 mm x 90 mm.
En la figura 2 se muestra el recubrimiento
obtenido mediante el método de la invención utilizando los
parámetros anteriores. En la figura 2a se muestra un detalle del
perfil tridimensional de la superficie del recubrimiento obtenida
por medio de perfilometría interferométrica. El recubrimiento
obtenido presenta una rugosidad media que oscila entre R_{a} = 69
y 75 \mum. En la figura 2b, la micrografía obtenida mediante
microscopía electrónica de barrido muestra una sección del
recubrimiento obtenido. El espesor medio del recubrimiento obtenido
fue de aproximadamente 1,14 mm. Asimismo, se aprecia un elevado
grado de porosidad, la cual se determinó en torno al 37%.
Una vez descrita suficientemente la naturaleza
de la presente invención, así como una forma de llevarla a la
práctica, sólo queda añadir que en su conjunto y partes que la
componen es posible introducir cambios de forma, materiales y de
disposición siempre y cuando dichas alteraciones no varíen
sustancialmente dicha invención.
Claims (12)
1. Método para la obtención de recubrimientos
porosos metálicos sobre materiales cerámicos, caracterizado
porque en el mismo se establecen las siguientes fases
operativas:
a) posicionamiento de un material sustrato en un
sistema que permita un movimiento relativo respecto de un haz láser
y conectado a un equipo cualquiera de control de la posición de
dicha pieza;
b) focalización del haz láser por medio de un
sistema de focalización adecuado sobre un material precursor;
c) fusión del volumen de material precursor
irradiado por el haz láser;
d) arrastre del material fundido por medio de un
chorro de gas auxiliar trabajando en régimen supersónico;
e) transporte a elevada velocidad de dicho
material fundido por medio del gas auxiliar;
f) interposición del material a recubrir a
cierta distancia del material precursor de forma que éste llegue en
forma de micropartícula o microhilos parcial o totalmente
solidificados a su superficie;
g) movimiento relativo del material a recubrir
con respecto de este chorro continuo de material fundido parcial o
totalmente solidificado con el objeto de producir un recubrimiento
superficial;
h) realización de varias pasadas de dicho de
material fundido parcial o totalmente solidificado con el objeto de
producir un recubrimiento poroso de cierto espesor.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación
1ª, en el cual en la fase d) el chorro de gas auxiliar es dirigido a
la zona de corte formando un ángulo respecto al eje del haz
láser.
3. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 2ª, en el cual el láser con el que se irradia el material
precursor tiene una potencia suficiente para fundir el material
precursor, preferentemente entre 500 y 3000 W.
4. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 3ª, en el cual el chorro de gas auxiliar que se aporta en la
fase d) está constituido por un gas inerte, un gas oxidante o una
mezcla de dichos gases.
5. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 4ª, en el cual el haz láser proviene de un láser de CO_{2},
de CO, de N_{2}, de Nd:YAG, de Er:YAG, de Nd:vidrio, de Yb:YAG; de
Rubí, de HeNe, de HeCd, de HeHg, de Cu, de I, de Ar, de Kr, de
diodo, de fibra, de disco, químicos, de excímeros, de alejandrita,
de esmeralda o de colorante.
6. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 5ª, en el cual el material precursor se encuentra en forma de
chapa, pletina, varilla, hilo o cinta.
7. Un método de acuerdo con las reivindicaciones
1ª a 6ª, en el cual el material precursor es un acero, aluminio,
cobre o alguna de sus aleaciones.
8. Sistema de obtención de recubrimientos
porosos que comprende
un láser,
un sistema de focalización (2) para focalizar un
haz láser (1) proveniente del láser,
un material precursor (8),
una boquilla
convergente-divergente (4) para la aportación de un
chorro de gas auxiliar (5), y
al menos un sistema móvil para dotar de
movimiento relativo al haz láser (1) y al material precursor (8) uno
respecto al otro, estando conectado el sistema móvil a un equipo de
control de posición.
9. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
8ª, en el cual el sistema de focalización (2) consiste en un par de
espejos, uno de ellos plano y el otro parabólico.
10. Un sistema de acuerdo con la reivindicación
8ª, en el cual el sistema de focalización (2) consiste en una lente
simple, una lente de doble foco o un conjunto de lentes.
11. Un sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 8ª a 10ª, en el cual el al menos un sistema móvil
para dotar de movimiento relativo al haz láser (1) y al material
precursor (8) uno respecto al otro consiste en un robot, en una mesa
de coordenadas, o en una combinación de ambos sistemas.
12. Un sistema de acuerdo con las
reivindicaciones 8ª a 11ª, en el cual la boquilla
convergente-divergente (4) que produce el chorro de
gas auxiliar (5) trabajando en régimen supersónico, está conectada
al sistema de control automático de la posición de la pieza de tal
forma que dicha boquilla (4) se mueve sincronizadamente con el
movimiento del sistema móvil.
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