MX2007016229A

MX2007016229A - Revestimiento con laser sobre sustratos resistentes al calor bajo.

Info

Publication number: MX2007016229A
Application number: MX2007016229A
Authority: MX
Inventors: Harold Haruhisa Fukubayashi; Roland C Gassmann
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2008-03-06
Also published as: EP1902158A1; JP2008546909A; WO2007002017A1; US20080226843A1; BRPI0612506A2; CA2612670A1; CN101228295A; RU2008102070A

Abstract

Esta invencion se relaciona al revestimiento laser de los componentes usados en aplicaciones corrosivas a temperatura alta, tal como los asociados a las lanzas de recipientes metalurgicos, boquillas e inyectores, para ampliar su vida util bajo tales condiciones severas. En particular, esta invencion se relaciona a un metodo para aplicar un material de punto de fusion alto sobre un sustrato, el sustrato tiene una temperatura de punto de fusion por debajo de la temperatura de punto de fusion del material de punto de fusion alto, que comprende: (a) mover un rayo laser generado desde un laser sobre la superficie del sustrato, el rayo laser esta compuesto por longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanometros; (b) proporcionar un metal, aleacion, o polvo compuesto de aleacion de metal a la superficie del sustrato; y (c) generar suficiente energia al laser para calentar superficialmente el sustrato y efectuar una opinion por fusion entre el metal, la aleacion o el polvo compuesto de aleacion de metal y la superficie del sustrato.

Description

REVESTIMIENTO CON LÁSER SOBRE SUSTRATOS RESISTENTES AL CALOR BAJO Campo de la Invención La invención se refiere a un método de revestimiento con láser en metales de punto de fusión alto, aleaciones y/o compuestos de metal sobre sustratos resistes al calor bajo, tales como materiales de cobre o similares. En particular, la invención se refiere al revestimiento con láser de componentes usados en aplicaciones corrosivas de temperatura alta, tales como los asociados a lanzas de barcos metalúrgicos, boquillas y toberas, para alargar su vida útil bajo tales condiciones severas. Antecedentes de la Invención Las toberas son montadas con frecuencia en una tubería de inyección de aire caliente, oxígeno y combustible dentro de altos hornos y fundidores, tales como convertidores de Pierce-Smith. Similares a las toberas, las boquillas de inyección de gas inyectan oxígeno y combustible en baños de hornos de arco eléctrico de acero fundido. Además, las boquillas de lanza inyectan oxígeno y combustible en los hornos de oxígeno básicos usados para fabricar acero. Estas lanzas, boquillas y toberas son generalmente enfriadas en agua y hechas de aleaciones basadas en cobre o cobre de conductividad alta que tienen resistencia mínima al ataque del metal o escoria fundida. Además de esto, las lanzas de barcos metalúrgicos y boquillas, normalmente experimentan la erosión de partícula caliente y escoria fundida o ataque al metal. Un problema adicional es la presencia de gases corrosivos. Estos gases corrosivos incluyen ácidos y vapores de metal reactivos no ácidos. Los gases corrosivos, tales como cloro y dióxido de azufre con frecuencia se originan de los combustibles u oxidación de sulfuros en el producto base o fundido. Similar a los gases ácidos, los vapores reactivos por ejemplo, cadmio, plomo, zinc, etc., se originan normalmente de su inclusión en el producto base de desecho para altos hornos y de arco eléctrico.

Estos gases atacan agresivamente los dispositivos de inyección de metal. Por ejemplo, el dióxido de azufre reacciona fácilmente con cobre y forma sulfuros por ejemplo, azufre de cobre (CuS). Aún otro problema con las toberas revestidas y las puntas del inyector es que se agrietan después de un período de servicio bajo enfriamiento y calentamiento cíclico. Este agrietamiento puede propagarse hacia la pared interna, causando una fuga eventual de agua. Para remediar estos problemas, varios revestimientos o recubrimientos en componentes han sido tratados por la industria.

Para revestir los componentes, la industria utiliza comúnmente ya sea cerámica sólida, aleación dura, o una cubierta superficial dura sobre sustrato de aleación suave. La cubierta puede hacerse por una soldadura, un proceso de aspersión por fundición, o un arco de plasma transferido (PTA). Los materiales de la cubierta son cualquier variedad de aleaciones de Co (por ejemplo, Estelita) o aleaciones de aspersión por fundición de Co-Cr--B-Si, o Ni — Cr — B--Si, con o sin las adiciones de carburo. Desafortunadamente, todos estos materiales se usan extensivamente dentro de un tiempo corto y con frecuencia requieren un reemplazo, tan frecuente como, cada semana. El proceso de aspersión por fundición usa aleaciones a base de Ni o Co con o sin partículas de carburo. Ambas aleaciones contienen boro (B) y silicio (Si) como agentes de flujo para proporcionar la acción de humectación en el sustrato cuando son fundidos; sin embargo, poco o nada de fundición de sustrato sucede. La cubierta con frecuencia se agrieta y se separa en servicio debido al ataque de metal fundido. La cubierta de aleación de cobalto, sin importar el modo de aplicación, no tiene fuerte resistencia al desgaste por escoria (la escoria es un compuesto intermetálico de tamaño miera extremadamente duro suspendido en zinc o aleación de zinc fundido) o ataque por zinc. El tipo más extensamente usado de cubierta por aspersión por fundición es un recubrimiento de aleaciones basado en níquel. El recubrimiento es relativamente espeso normalmente, tanto como 0.125". Con un espesor reducido de 0.10 a 0.20", el recubrimiento es perdido muy rápidamente debido a la carga superficial extremadamente alto acoplada junto con la soldadura de escoria dura fina (hierro-zinc-aluminio intermetálico), y el recubrimiento no proporciona ganancias económicas significativas. Por otra parte, el espesor de los recubrimientos de aspersión por fundición se agrieta, lo cual conduce al ataque de interfaz por zinc o aluminio. Así, el recubrimiento fragmenta antes de perder realmente el recubrimiento a través del uso. El proceso de PTA esencialmente es solo un proceso de soldadura que usa alimentación de polvo y energía de plasma en vez de soldadura de arco sumergida o de fijación convencional. Con la cubierta soldada de PTA de aleaciones de cobalto, la dilución, aunque es menor que la soldadura de arco, sigue siendo excesiva. Un avance reciente en el recubrimiento protector es el uso de recubrimientos por aspersión por fundición térmica. La Patente Norteamericana 6.503.442 describe los dispositivos revestidos para uso con los ambientes corrosivos a altas temperaturas. El dispositivo tiene una capa unida que consiste de 0 a 5 por ciento en peso de carbono, de 20 a 40 por ciento en peso de cromo, de 0 a 5 por ciento en peso de níquel, de 0 a 5 por ciento en peso de hierro, de 2 a 25 por ciento en peso total de molibdeno más tungsteno, de 0 a 3 por ciento en peso de sílice, de 0 a 3 por ciento en peso de boro, y el balance de cobalto e impurezas esenciales para proporcionar resistencia a la sulfuración a temperaturas altas. Un recubrimiento de cerámica a base de zirconia puede cubrir la zirconia para adicionalmente resistir la corrosión. Hay una necesidad continua para proteger los componentes usados en modernas aplicaciones corrosivas a temperatura alta, tales como las asociadas con lanzas de barcos metalúrgicos, boquillas y toberas, para ampliar su vida útil bajo tales condiciones severas. Es decir, un método suprayacente es necesario el cual no resulte en un daño significativo al componente de la superficie, especialmente los componentes que tienen resistencia al calor bajo. La presente invención trata esta necesidad. Breve Descripción de la Invención Esta invención se refiere a un método para aplicar un material con punto de fusión alto en un sustrato, el sustrato tiene una temperatura de punto de fusión debajo de la temperatura de punto de fusión del material de punto de fusión alto, que comprende: (a) mover un rayo láser generado desde un láser sobre la superficie del sustrato, el rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10.600 nanómetros; (b) proporcionar un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal en la superficie del sustrato; y (c) generar suficiente energía al láser para calentar superficialmente el sustrato y efectuar una unión de fundición entre el polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal y la superficie del sustrato. El láser crea el calentamiento superficial del sustrato sin la distorsión del sustrato. El sustrato es preferiblemente cobre o una aleación basada en cobre. Esta invención también se refiere a un método de formar un componente de máquina para el uso con los ambientes corrosivos a temperaturas altas que comprende aplicar un material de punto de fusión alto en la superficie de un sustrato que tiene un contorno de la forma deseada del componente de máquina, el sustrato tiene una temperatura de punto de fusión debajo de la temperatura de punto de fusión del material de punto de fusión alto, por el revestimiento con láser en la superficie del sustrato para formar una capa revestida con láser, el revestimiento con láser comprende: (a) mover un rayo láser generado desde un láser sobre la superficie del sustrato, el rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros; (b) proporcionar un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal en la superficie del sustrato; y (c) generar suficiente energía al láser para calentar superficialmente el sustrato y efectuar una unión de fundición entre el metal, el polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal y la superficie del sustrato. El láser crea el calentamiento superficial del sustrato sin la distorsión del sustrato, para proporcionar la capa revestida con láser que tiene el contorno como la forma del diseño del componente de máquina. El sustrato es preferiblemente de cobre o una aleación basada en cobre. Esta invención además se refiere a un componente de máquina para uso con los ambientes corrosivos a temperaturas altas que comprende: (a) un sustrato de punto de fusión bajo que tiene un contorno de la forma deseada del componente de máquina; y (b) una capa revestida con láser que comprende un metal de punto de fusión alto, compuesto de aleación de metal o aleación que cubre la superficie del sustrato; en donde el sustrato tiene una temperatura de punto de fusión debajo de la temperatura de punto de fusión del metal de punto de fusión alto, compuesto de aleación de metal que cubre la superficie del sustrato. La capa revestida con láser tiene el contorno como la forma del diseño del sustrato, ésta capa revestida con láser aplicada por un láser genera un rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10.600 nanómetros, el rayo láser calienta superficialmente el sustrato sin la distorsión del sustrato. El componente de máquina puede incluir toberas en un alto horno, puntas de lanza en un horno de oxígeno básico, boquillas en un horno de arco eléctrico, y placas de molde en ia máquina de coladas continuas de planchones. El componente de máquina es hecho preferiblemente de cobre o de una aleación basada en cobre. Esta invención todavía adicionalmente se refiere a un método para aplicar un material de punto de fusión alto en un sustrato, el sustrato tiene una temperatura de punto de fusión debajo de la temperatura de punto de fusión del material de punto de fusión alto, que comprende: (a) generar un rayo láser con un láser, el rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros; (b) descargar un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal o en la superficie del sustrato a través de un inyector de descarga de polvo con una alineación axial diferente de la alineación axial del láser; y (c) mover el láser e inyector de descarga de polvo a través de la superficie del sustrato para calentar superficialmente el sustrato, de tal modo que funde por lo menos una capa revestida con láser de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal en la superficie del sustrato. El láser crea el calentamiento superficial del sustrato sin la distorsión del sustrato. El sustrato es preferiblemente de cobre o una aleación basada en cobre. Esta invención también se refiere a un método para aplicar un material de punto de fusión alto en un sustrato, el sustrato tiene una temperatura de punto de fusión debajo de la temperatura de punto de fusión del material de punto de fusión alto, que comprende: (a) generar un rayo láser con un láser, el rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros; (b) descargar un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal, en la superficie del sustrato a través de un inyector de descarga de polvo con una alineación axial diferente de la alineación axial del láser; (c) mover el láser y el inyector de descarga de polvo a través de la superficie de una primera área del sustrato para calentar superficialmente la primera área del sustrato, de tal modo que funde por lo menos una capa revestida con láser de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal en la superficie de la primera área del sustrato; (d) permitir a la primera área enfriar y después mover el láser y el inyector de descarga de polvo a través de la superficie de una segunda área del sustrato para calentar superficialmente la segunda área del sustrato, de tal modo que funde por lo menos una capa revestida con láser de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal en la superficie de la segunda área del sustrato; y (e) permitir a la segunda área enfriar y después repetir las etapas del revestimiento con láser y enfriamiento para las áreas adicionales hasta que un área total deseada haya sido cubierta revestida con láser. El láser crea calentamiento superficial del sustrato sin la distorsión del sustrato. El sustrato es preferiblemente de cobre o una aleación basada en cobre. De acuerdo a esta invención, un metal de punto de fusión alto, una cubierta de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal, para uso en un sustrato resistente a lal calor bajo tal como toberas en un alto horno, puntas de la lanza en un horno de oxígeno básico, boquillas en un horno de arco eléctrico, y placas de molde en máquina de coladas continuos de planchones, es proporcionado por las técnicas con láser que usan un rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros. El láser crea el calentamiento superficial del sustrato sin distorsión del sustrato. Según lo utilizado en la presente, "sin distorsión" significa que el sustrato o el componente mecánico distorsiona por lo menos 0.01 pulgadas. Se entiende que las etapas de los métodos descritos en la presente pueden realizarse en el orden presentado o en cualquier otro orden suficiente para realizar los métodos de esta invención. Breve Descripción de los Dibujos La figura 1 es una superficie revestida con láser YAG-Nd: de de un recubrimiento de CoCrC aplicado en una placa de cobre. La figura 2 es una superficie pulida y revestida con láser YAG-Nd: de un recubrimiento de CoCrC aplicada en una placa de cobre. Descripción Detallada de la Invención El tipo de láser útil en esta invención puede variar extensamente y depende solamente de la longitud de onda de rayo láser. La absorbencia de un material tal como aleación de cobre o aleación basada en cobre es una función de longitud de onda de rayo láser. Los láseres ópticos tienen un intervalo desde ultra violeta hasta infrarrojo toda la trayectoria, dependiendo en su medio de láser. La absorbencia de cobre va hacia como la longitud de onda disminuye, lo que significa que los láseres generan un rayo de longitud de onda corta que son más convenientes que los infrarrojos en la práctica de esta invención. Según lo utilizado en la presente, la "absorbencia" significa la relación de energía radiante absorbida por un sustrato a esa incidencia en éste. Los láseres CO2 funcionan a 10,600 nanómetros, que es infrarrojo alto. El láser YAG-Nd: funciona a 1060 nanómetros, que sigue siendo infrarrojo. Sin embargo, la absorbencia de cobre es en gran medida más alta en 1060 nanómetros que en 10,600 nanómetros. Otros láseres convenientes útiles en esta invención incluyen, por ejemplo, los diodos láser y láseres YAG que funcionan entre 700 y 1060 nanómetros. Los láseres YAG útiles en esta invención se refieren a los láseres itrio-aluminio granate. Tales láseres también pueden incluir un material impurificador, tal como neodimio (Nd), y tal láser es algunas veces referido como un láser YAG-Nd:. Esta invención puede también practicarse con los láseres YAG que utilizan otros materiales impurificadores. El sistema de láser YAG útil en practicar esta invención está comercialmente disponible. Cuando es operado en modo de onda continua el láser proporciona suficiente calor en un punto específico para efectuar el calentamiento superficial de la superficie del sustrato y del revestimiento de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal. La correlación de absorción-material-longitud de onda es importante en la práctica de esta invención. Particularmente, las longitudes de onda en y debajo de 1060 nanómetros son preferidas. Los láseres ultra violeta pueden ser útiles en llevar a cabo esta invención, pero no hay láseres de onda continua disponibles que produzcan un rayo suficientemente potente para esta aplicación. Lo que se puede trabajar en la práctica de esta invención son los láseres multi kilovatios que generan rayos láser en el intervalo desde aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros, y preferiblemente aproximadamente de 1060 nanómetros o menos, y más preferiblemente de aproximadamente 700 a aproximadamente 1060 nanómetros. Los láseres útiles en esta invención no están limitados a los rayos de onda continua ya que esta invención se refiere más a la frecuencia de pulso contra la conductividad de calor. Los rayos láser de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros, preferiblemente aproximadamente de 1060 nanómetros o menos, se suministran preferiblemente a través de las fibras ópticas. El revestimiento con láser proporciona métodos únicos para la aplicación de recubrimientos unidos metalúrgicamente para virtualmente configurar y medir cualquier pieza de trabajo. Como una ilustración, un rayo láser puede dirigirse desde un generador a una célula de trabajo seleccionada a través del sistema de conductos de rayo láser unido que usa espejos enfriados en agua, pulidos ópticamente. El rayo láser es después enfocado a un punto de densidad de energía alta que usa la óptica apropiada unida a una herramienta de elemento terminal y el rayo enfocado es convertido en la superficie de la pieza de trabajo para derretir y solidificar rápidamente el polvo de metal revestido aleación, o compuesto de aleación de metal. El suministro de energía del láser y el diámetro de punto focal pueden variar para producir densidades de energía en la superficie de la pieza de trabajo capaces de calentar superficialmente la superficie. El control exacto de la energía láser permite la deposición exacta de los espesores de recubrimiento que tienen un intervalo desde 0.0001 a 0.080 pulgadas en un solo paso. Los recubrimientos revestidos con láser son cubiertas impermeables unidas metalúrgicamente al sustrato, y la dilución causada por el intermezclado del revestimiento de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal y el sustrato es controlado rutinariamente en menos de 5 %. Debido a la entrada de temperatura baja del proceso de revestimiento por láser y el calentamiento superficial de la superficie de la pieza de trabajo, los componentes recubiertos exhiben una distorsión mínima, y los cambios metalúrgicos en el sustrato son insignificantes. El método de esta invención utiliza un láser que genera un rayo láser se comprende de longitudes de onda desde aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros, para crear el calentamiento superficial que no crea daño inducido por soldadura o agrietamiento de la superficie del sustrato. Los láseres utilizados en la práctica de esta invención son conocidos en la técnica. Como una ilustración, el láser genera un rayo láser que es utilizado en la operación de revestimiento. En una manera típica, el láser se dirige a través de una guía del rayo que incluye los materiales de fibra óptica, a través de un espejo, y a través de una lente focal. El láser entonces choca con la pieza de trabajo. Los componentes tales como la guía del rayo, espejo, y lente focales son artículos conocidos en la técnica del revestimiento con láser. El polvo compuesto de metal, aleación de metal, o aleación puede proporcionarse por un alimentador de polvo. El polvo puede alimentarse en la pieza de trabajo a través del inyector de alimentación de polvo. Otros componentes típicos del sistema por láser pueden incluir una cámara de video y un monitor de vídeo. La pieza de trabajo es normalmente sostenida en una mesa de trabajo. El sistema del revestimiento puede también usar un regulador o un sistema de colocación controlada numéricamente por computadora. El regulador puede coordinar los componentes del sistema. Como es conocido en la técnica, el regulador puede también incluir un sistema de imagen digital. El regulador guía el movimiento del láser y de la alimentación de polvo a través de la pared de la pieza de trabajo. En una modalidad, el movimiento de la pieza de trabajo en el plano XX puede ser alcanzado a través del movimiento de la mesa de trabajo. El movimiento hacia arriba y hacia abajo, o en dirección Z puede alcanzarse por el control del brazo láser; es decir, jalando hacia arriba o bajándolo. Los métodos alternativos de control pueden ser posibles, por ejemplo el movimiento controlado de la pieza de trabajo en todas las tres direcciones, X, Y, y Z. A través del uso del regulador, el láser puede guiarse a través de una pared de la pieza de trabajo en un patrón de movimiento seleccionado. El láser puede rastrean un patrón de puntada a lo largo de la pared de la pieza de trabajo. El espaciamiento entre las puntadas puede ser dentro del intervalo de aproximadamente 0.020 pulgadas a aproximadamente 0.028 pulgadas. Preferiblemente, los puntos sucesivos son espaciados de modo que no hay un área mínima o apreciable de fundición entre las puntadas. Además, el movimiento del láser en esquinas que dan vuelta puede ser un movimiento gradual o curvado de modo que una sobre acumulación de material fundido puede evitarse cuando se mueve desde una puntada en una dirección hacia otra dirección. Otras técnicas de puntada con láser son conocidas en la técnica y pueden aplicarse al método de esta invención. El sistema de láser útil en esta invención puede contener preferiblemente un alimentador de polvo para depositar el metal pulverizado a través de una boquilla de descarga. En una modalidad preferida, el sistema de revestimiento con láser utiliza un acomodo no axial para la boquilla del polvo; es decir, el eje de la descarga para la boquilla del polvo es diferente del eje de alineación del mismo láser. El índice preferido de descarga de polvo está en el intervalo de aproximadamente 0.01 a 0.10 gramos por segundo. La descarga de polvo del metal puede además ser parte del regulador. El polvo descargado en el sistema de revestimiento por láser puede ser un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal. El polvo usado en el proceso de revestimiento por láser deberá ser compatible con el sustrato. El polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal ilustrativo útil en esta invención incluye superaleaciones basadas en cobalto y superaleaciones basadas en níquel. El polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal preferido, incluye cobalto-cromo-carburo y níquel-cromo-aluminio. Las dimensiones del polvo tienen un intervalo preferiblemente de aproximadamente 100 a 300, preferiblemente de aproximadamente 120 a 270, según lo medido por la granulometría del polvo. El polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal puede o no puede mezclarse con partículas de compuestos intermetálicos duros, tales como carburo de tungsteno y carburo de cromo. Los materiales de revestimiento útiles en esta invención pueden ser cualquier polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal, que consisten en cerámica e intermetálicos, carburo, boruro, nitruro, etc. Las cantidades agregadas de cerámica e intermetálico pueden estar entre 2 a 80% dependiendo en la aplicación y requerimientos específicos. El tamaño de partícula del compuesto agregado en metales y aleaciones puede variar dependiendo en la cantidad de disolución deseada. Utilizar partículas más grandes para menor disolución y partículas más pequeñas para más disolución. Un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal preferido usado para formar la capa revestida con láser comprende, en por ciento en peso, de aproximadamente 5 a 20 carbonos, aproximadamente de 20 a 40 de cromo, aproximadamente de 0 a 5 de níquel, aproximadamente de 0 a 5 de hierro, aproximadamente de 0 a 25 de molibdeno, aproximadamente de 0 a 25 de tungsteno, aproximadamente de 0 a 3 de sílice, aproximadamente de 0 a 3 de boro, y balance de cobalto. Las aleaciones basadas en cobalto de la invención contienen ventajosamente, en por ciento en peso, aproximadamente de 20 a 40 por ciento de cromo, a menos que estén expresadas específicamente de otra manera, todas las composiciones proporcionadas en esta especificación están expresadas en por ciento en peso. El cromo proporciona resistencia de la oxidación y una cierta resistencia adicional a la oxidación para la matriz de cobalto. Una adición total de aproximadamente 3 a 20 de molibdeno y tungsteno puede mejorar la resistencia a la aleación por sulfuración. Esto es particularmente importante para los dispositivos de aleación basados en cobre y cobre usados en aplicaciones corrosivas de temperatura alta, tales como los asociados a lanzas de barcos metalúrgicos, boquillas y toberas. En temperaturas altas generadas con la fundición y el procesamiento, los dispositivos de inyección de cobre reaccionan rápidamente con dióxido de azufre para formar el dañino CuS. El cambio en la densidad asociada con la sulfuración causa con frecuencia recubrimientos de cerámica que se fragmenta. Además, los recubrimientos de cerámica tienden generalmente a tener porosidad y grietas que permean el recubrimiento de cerámica. Estos defectos en el recubrimiento proporcionan sitios sometidos a corrosión severa de la grieta. Por estas razones, es deseable que el recubrimiento contenga por lo menos 2 por ciento de tungsteno o molibdeno para aumentar la resistencia de la aleación a la sulfuración. Además, puede ser útil para limitar el hierro y níquel a menos de 5 por ciento, debido a que cada uno de estos elementos puede tender a reducir la resistencia a la sulfuración. Manteniendo estos elementos en los niveles tan bajos como prácticos comercialmente pueden tender a mejorar la resistencia de sulfuración de la aleación. La aleación puede contener hasta 5 por ciento carbonos para reforzar la capa revestida. Los niveles carbonos arriba del cinco por ciento pueden tender a disminuir la resistencia a la corrosión de la aleación. Una composición típica de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende, en por ciento en peso, aproximadamente de 5 a 20 carbonos, aproximadamente de 20 a 40 de cromo, aproximadamente de 0 a 5 de níquel, aproximadamente de 0 a 5 de hierro, aproximadamente de 0 a 25 de molibdeno, aproximadamente de 0 a 25 de tungsteno, aproximadamente de 0 a 3 de sílice, aproximadamente de 0 a 3 de boro, y balance de cobalto. Preferiblemente, un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende, en por ciento en peso, de aproximadamente 20 al 90 de cobalto-crorrio-carburo; y balancea un componente de aleación que consiste esencialmente de, en por ciento en peso, de aproximadamente 1 a aproximadamente 25 de tungsteno, aproximadamente de 2 a aproximadamente 12 de níquel, de 0 a aproximadamente 7 de cobre, de 0 a aproximadamente 5 de molibdeno, de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 1.5 de manganeso, de 0 a aproximadamente 1.5 de novio y tantalio, de 0 a aproximadamente 1.2 de titanio, de 0 a aproximadamente 2.0 de aluminio, y aproximadamente de 0.1 a aproximadamente 2 de sílice, con balance de fierro (FE). Otro polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal ilustrativo, comprende, en por ciento en peso, de aproximadamente 10 a 30 de cromo, aproximadamente de 1 a 10 de molibdeno, aproximadamente de 1 a 10 de aluminio, aproximadamente de 1 a 10 de hierro, aproximadamente de 1 a 10 de tantalio, aproximadamente de 0 a 5 de manganeso, aproximadamente de 0 a 5 de titanio, aproximadamente de 0 a 5 carbonos, aproximadamente de 0 a 3 de boro, de 0 a 3 de zinc, y balance de níquel. Preferiblemente, el polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende, en por ciento en peso, aproximadamente de 20 a aproximadamente 90 de níquel-cromo-aluminio; y balance de un componente de aleación que consiste esencialmente de, en por ciento en peso, de aproximadamente 1 a aproximadamente 25 de tungsteno, aproximadamente de 2 a aproximadamente 12 de cobalto, de 0 a aproximadamente 7 de cobre, de 0 a aproximadamente 5 de molibdeno, de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 1.5 de manganeso, de 0 a aproximadamente 1.5 de niobio y tantalio, de 0 a aproximadamente 1.2 de titanio, de 0 a aproximadamente 2.0 carbonos, y aproximadamente de 0.1 a aproximadamente 2 de sílice, con balance de fierro (Fe). La operación de revestimiento procede según el recorrido de la alimentación de polvo y láser en una pared de la pieza de trabajo. Una velocidad lineal preferida para el proceso de revestimiento puede estar entre aproximadamente 5 a aproximadamente 15 pulgadas por minuto. La energía del láser durante la operación puede estar dentro del intervalo de aproximadamente 100 a aproximadamente 500 vatios. El revestimiento por láser puede limitarse al área en la pieza de trabajo que recibe el efecto de calentamiento del láser. Así, en una modalidad preferida, el área revestida está dentro del intervalo de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 0.010 pulgadas cuadradas (0.0064516 a 0.064516 centímetros cuadrados). La limitación del área revestida reduce la probabilidad de calentarse por la aparición de microgrietas inducidas en la pieza de trabajo como un resultado de la operación de revestimiento. El espesor del polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal revestido por láser en el sustrato puede tener un intervalo entre aproximadamente 0.001 pulgadas y aproximadamente 0.10 pulgadas. El revestimiento en una área en exceso del intervalo de 0.001 a 0.010 pulgadas cuadradas también puede alcanzarse. El método de revestimiento de un área más grande comprende una serie de operaciones separadas de revestimiento con láser. Cada etapa de revestimiento individual comprende una operación de revestimiento con láser para un área de un pieza de trabajo dentro de un intervalo de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 0.010 pulgadas cuadradas. El revestimiento de tal área alcanzará una fundición por láser exitosa con la fundición aceptable de polvo en la pieza de trabajo. Después de que un área individual haya sido revestida, se deja enfriarse. Hasta el enfriamiento, una segunda, área vecina próxima a la primera área puede después recibir una operación de fundición por láser. De este modo, las operaciones de fundición individuales por láser pueden realizarse para lograr una fundición por láser en un área total del tamaño deseado. Mientras que la operación del revestimiento con láser puede adaptarse a otras clases de pieza de trabajo, ésta, está diseñada y deseada para la aplicación particular a componentes usados en aplicaciones corrosivas a temperaturas altas, tales como los asociados con lanzas de barcos metalúrgicos, boquillas y toberas, para ampliar su vida útil bajo tales condiciones severas. Deberá ser apreciado que el método descrito no necesita ser realizado en el orden en el cual se describe, sino que esta descripción es simplemente ejemplar de un método. Una pieza de trabajo conveniente es primero identificada. La inspección de la pieza de trabajo confirma que la pieza de trabajo es un candidato conveniente para el revestimiento. La pieza de trabajo no deberá sufrir los defectos mecánicos u otro daño que la descalifique de operar en aplicaciones corrosivas de temperatura alta, tales como las asociadas con lanzas de barco metalúrgicas, boquillas y toberas. La pieza de trabajo puede someterse a operaciones de pre-revestimiento para preparar la pieza para el revestimiento. En una modalidad, la pieza de trabajo recibe un tratamiento de arena voladura/pulido. La arena de voladura/pulido quita los materiales que interfieren con el revestimiento por láser tal como corrosión, acumulaciones de impureza, y contaminación desde la pared de la pieza de trabajo. Después, un sistema de monitoreo digital del regulador verifica la trayectoria revestida en la pieza de trabajo. Usando la imagen digital a través de una cámara de vídeo, el regulador registra los datos superficiales y dimensionales de la pieza de trabajo. El operador incorpora parámetros de la trayectoria revestida a través del regulador. Los parámetros tales como la geometría de la trayectoria revestida o "puntada", distancias, y velocidades lineales son incorporadas. La información con respecto al revestimiento tal como los índices de alimentación de talco y energía del láser, es también ingresada para efectuar el calentamiento superficial de la superficie de la pieza de trabajo. Después de estas etapas preparatorias, el revestimiento por láser comienza. Un primer paso de deposición ocurre. Entonces una serie de etapas de deposición de materiales son repetidas, en caso necesario, a través de las repetidas etapas. En la primera etapa, el proceso de revestimiento por láser deposita una capa de un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal sobre la superficie del sustrato. El espesor de tal depósito está entre aproximadamente 20 a aproximadamente 30 miles de una pulgada. El índice de movimiento de la pieza de trabajo con relación al láser depende del espesor deseado del depósito, pero un intervalo de índices de entre aproximadamente 5 a aproximadamente 15 pulgadas por minuto puede utilizarse. Hasta la conclusión de una primera etapa de revestimiento, el regulador comprobará el espesor del depósito revestido, si la acumulación de material está debajo de lo deseado, una segunda etapa de revestimiento sucede. Mientras que una sola etapa de revestimiento puede ser suficiente para depositar el espesor deseado del material, es también el caso que múltiples etapas pueden ser necesarias para alcanzar la dimensión deseada del material depositado nuevamente. De este modo una serie de etapas de revestimiento puede acumular un espesor del polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal depositado nuevamente. Cuando el revisor digital determina que el espesor del material ha alcanzado, el límite deseado, el revestimiento cesa. La pieza de trabajo después es trabajada para regresarla a una configuración o dimensión deseada. La deposición de metal, compuesto de aleación de metal, o aleación pulverizado puede resultar en una superficie desigual. La máquina restaura una superficie uniforme de una dimensión deseada. Similarmente, ésta puede ser deseable para sobre-depositar el material para asegurar que no haya ningún vacío o que puntos bajos permanezcan en la superficie del sustrato. Las técnicas de maquinación conocidas pueden utilizarse para retirar el exceso de material de revestimiento. Las etapas de revestimiento posterior pueden también incluir procedimientos, tales como un tratamiento de calor para lograr reducir de tensión. El tratamiento de revestimiento posterior puede incluir superficie dura/pulido con materiales.

U na ventaja principal del método de revestimiento con láser descrito, es la utilización de un rayo láser se comprende de longitudes de onda de aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros permitiendo el calentamiento superficial de la superficie del sustrato. El uso de tal láser permite que el calentamiento suficiente de la superficie del sustrato y el polvo compuesto de metal , aleación o aleación de metal, forme una unión de fundición entre el sustrato y el material de polvo compuesto de metal , aleación o aleación de metal . El calor, sin embargo, es superficial y concentrado de modo que el ag rietarse y daño encontrado en otras técnicas de revestimiento es evitado. El grado de fundición y dureza del revestido entre el sustrato y el nuevo material es altamente deseable para los materiales de cobre o similares usados en aplicaciones corrosivas de temperatura alta, tales como los asociados con lanzas de barcos metalúrgicos, boquillas y toberas, para ampliar su vida útil bajo tales condiciones severas. En todos los casos, durante el proceso de pulverizado completo, deberá tenerse cuidado para asegurar que la superficie no sea sobrecalentada y cause la distorsión del sustrato. En piezas pequeñas, para eliminar el sobrecalentamiento, aire comprimido o un gas de enfriamiento puede utilizarse para soplar en la parte y facilitar el enfriamiento. Otra ventaja de este método puede ser la pequeña cantidad de polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal pu lverizada consum ida por la operación de fu nd ición por láser.

Los láseres útiles en esta invención unen eficientemente la aleación pulverizada al material de sustrato con poca pérdida de polvo. Esto realiza ahorros en el costo del material. En la técnica anterior, la cubierta soldada en toberas es hecha con aleaciones a una temperatura de fundición similar al cobre, y son relativamente suaves, proporcionando poca resistencia al ataque abrasivo/erosión y de dióxido de azufre (SO2). Usando las técnicas de revestimiento por láser de esta invención, los materiales de temperatura de fundición más alta y más duros pueden recubrirse. Según lo discutido abajo, la cubierta revestida puede utilizarse como "una pintura intermedia para prevenir el fisuramiento del recubrimiento debido al ataque del SO2 por la corrosión de la grieta del sustrato. Las puntas de lanza y boquillas pueden recubrirse con aleaciones resistentes de SO2 con o sin una capa de cerámica pulverizada térmica. Los moldes del fundidor pueden ser revestidos con una aleación de resistencia el cual elimina el problema de fisuramiento con el cromado duro debido al líquido del bulbo y agrietamiento en una corrosión de la grieta del cobre en el extremo de la salida por el flujo disuelto del molde que salpica agua de enfriamiento. El flujo del molde es esencialmente una mezcla de sales y óxidos fundidos que se unen a la superficie hasta el congelamiento en el molde. En una modalidad, una capa basada en cerámica de zirconia puede cubrir la sub-capa revestida por láser. Ventajosamente, la capa basada en zirconia se selecciona del grupo que consiste de zirconia, parcialmente zirconia estabilizada y zirconia estabilizada completamente. Más ventajosamente, esta capa es una zirconia estabilizada parcialmente, tal como calcia, ceria u otros óxidos de tierra rara, magnesia y zirconia estabilizada por itria. El estabilizador más preferido es itria. En particular, la zirconia estabilizada parcialmente con itria proporciona excelente resistencia al calor y adherencia de escoria/metal. La capa de cerámica basada en zirconia base puede tener ventajosamente una densidad por lo menos de aproximadamente ochenta por ciento para limitar los efectos corrosivos de gases ácidos calientes hasta la capa inferior. Más ventajosamente, esta densidad es por lo menos aproximadamente de noventa por ciento. Una capa superior opcional puede cubrir la capa de cerámica y comprende un carburo resistente a la erosión caliente y o recubrimiento de boruro. El material de recubrimiento puede ser cualquier boruro de cromo resistente al calor o carburo tal como, CrB, Cr3 C2, Cr7 C3 o Cr23 C6. El recubrimiento puede ser un carburo/boruro puro o en una matriz de aleación de cobalto resistente al calor o superaleación basada en níquel. El espesor de cada capa puede variar dependiendo del ambiente de servicio y aplicación. Ventajosamente, cada capa tiene un espesor entre aproximadamente 0.002 pulgadas a 0.040 pulgadas. El plasma, HVOF, y el arma de detonación y técnicas Super-D Gun™ son eficaces para el bajo recubrimiento y la capa superior opcional. Pero, ya que HVOF proporciona fundición insuficiente de polvos basados en zirconia, los recubrimientos de cerámica basados en zirconia pueden aplicarse con plasma, arma de detonación, o procesos Super D-Gun™. El recubrimiento basado en zirconia depositado preferiblemente en las superficies revestidas del dispositivo de inyección tales como toberas, lanzas o boquillas por medio de un proceso de pulverización térmica usando un arma de detonación o un dispositivo Super D-Gun™. Las partículas del materiales de recubrimiento son por lo tanto calentadas a una temperatura alta y aceleradas a una velocidad alta (Super D-Gun es una marca registrada de Praxair Surface Technologies, Inc.). Más ventajosamente, la velocidad de la partícula es mayor que aproximadamente 750 metros/segundo para la deposición por arma de detonación y mayor que aproximadamente de 1000 metros/segundo para la deposición por Super D-Gun™. La velocidad creciente de la partícula mejora la unión o adherencia del recubrimiento al dispositivo de inyección. Aunque no es preferido en este tiempo, otro pulverizado térmico o procesos relacionados tales como oxi-combustible de velocidad alta, pulverizado frío pueden ser viables si son capaces de generar suficiente velocidad de la partícula y temperatura de partícula. Además, es posible sustituir la velocidad muy alta (energía cinética) por calentamiento de algunas partículas (energía térmica) y aún lograr las características micro-estructurales deseadas necesarias para los recubrimientos de los dispositivos de inyección. El espesor de recubrimiento total es obtenido atravesando el arma u otro dispositivo de pulverización térmica con relación a la superficie expuesta del dispositivo revestido de modo que genera un patrón exacto, predeterminado de aglomeraciones traslapadas de partículas. Más específicamente, al usar un arma de detonación o un Super D-Gun, cada aglomeración circular de partículas depositadas en por lo menos una superficie revestida del dispositivo de inyección forma las porciones de recubrimiento de menos de aproximadamente 25 micrómetros en espesor y aproximadamente 15 mm a 35 mm de diámetro. El método forma un recubrimiento en una porción o todas las superficies revestidas de la lanza, inyector o tobera. En particular, se refiere a depositar un recubrimiento de un espesor predeterminado en la superficie revestida de una tobera o de otro dispositivo de inyección de gas. Preferiblemente, el proceso utiliza un dispositivo de pulverizado térmico para cubrir la superficie revestida completa del dispositivo de inyección. La flexibilidad inherente del revestimiento por láser y opcionalmente los procesos para superficie dura pueden acomodar la mayoría de las variaciones en geometría de componentes para obtener el tamaño, forma y espesor de la acumulación de recubrimiento deseadas. Cordones individuales pueden depositarse en anchos que van desde 0.060 pulgadas a más de 2.000 pulgadas, y las acumulaciones de revestimiento pueden aplicarse en capas progresivas hasta cualquier espesor requerido. Para áreas superficiales amplias, cordones paralelos de depósito de revestimiento son aplicados con suficiente traslape, o empalmados, para asegurar un espesor de recubrimiento uniforme. Para superficies planas o de radio grande la aleación de recubrimiento es alimentada continuamente antes del rayo láser de conversión, pero para superficies de radio pequeño o no-horizontales la alimentación de polvo puede inyectarse directamente en la zona de fundición usando una boquilla de inyección con el gas portador inerte presurizado. Mientras que el revestimiento por láser es un proceso de línea de vista, configuraciones ópticas especiales pueden utilizarse para cubrir regiones relativamente inaccesibles, tales como las superficies interiores de cilindros huecos, a profundidades sustanciales. Los recubrimientos aplicados por revestimiento por láser y los procesos para superficie dura son superiores metalúrgicamente a los recubrimientos aplicados usando procesos de revestimiento de arco eléctrico convencionales tales como arco-gas-metal (GMAW por sus siglas en inglés), arco-sumergido (SAW) y arco de plasma transferido (PTA) principalmente debido a la reducida entrada de calor y baja dilución. Los recubrimientos por láser exhiben características mecánicas superiores (dureza, resistencia, ductilidad, fuerza) y características mejoradas de desgaste, corrosión y fatiga vitales para los componentes sujetos a ambientes de funcionamiento severos. Además, la puesta en práctica de las técnicas de revestimiento por láser, puede proporcionar soluciones alternas a los métodos de recubrimiento convencionales tales como galvanoplastia de cromo. La superioridad de las características del revestimiento por láser o de las de recubrimiento contra revestimientos o recubrimientos convencionales se han observado para aplicaciones que involucran cavitación-erosión, erosión por el choque de partículas, corrosión por calor, desgaste por deslizamiento y fatiga termal (ciclo-bajo). En una modalidad, un rayo láser generado por YAG puede dirigirse a la superficie de la pieza ha ser recubierta, proporcionando la energía necesaria para derretir y para fundir el material de recubrimiento al sustrato de cobre. Diferentes tipos de láser YAG pueden ser utilizados que emitan luz en longitudes de onda entre aproximadamente 700 y 1,060 nanómetros. El material de revestimiento puede ser alimentado "in-situ" en una piscina de derretimiento o pre-colocado en la superficie del sustrato antes del proceso de láser. Un revestido puede producirse por el movimiento relativo del rayo láser en la superficie del sustrato. Un gas de protección inerte, por ejemplo, helio o argón, puede emplearse para proteger la piscina de derretimiento contra la atmósfera circundante. El sustrato que se recubrirá puede calentarse antes del procesamiento con láser o durante el procesamiento con láser para reducir los requisitos de energía del láser y mejorar la fundición entre el sustrato y el material de recubrimiento. El sub-estado revestido puede experimentar procesamiento posterior tal como pulido. Ejemplo Un proceso de revestimiento por láser fue conducido utilizando el láser YAG:Nd. Los parámetros de proceso son establecidos abajo. El material de recubrimiento fue inyectado en una piscina de derretimiento. El rayo láser fue dirigido sobre la superficie de la pieza generando un cordón de soldadura. Traslapando el cordón de soldadura individual hasta un cierto índice produjo el revestido. La capa revestida fue posteriormente pulida. La figura 1 muestra una superficie revestida con láser YAG:Nd de un recubrimiento de CoCrC aplicado en el sustrato de cobre de acuerdo con este ejemplo. La figura 2 muestra una superficie revestida con láser YAG:Nd y pulida de un recubrimiento de CoCrC aplicado en el sustrato de cobre de acuerdo con este ejemplo. Metal base: Cobre (Cu) Material de recubrimiento: Aleación de CoCrC Láser: YAG:Nd, bombeado por diodo, energía de salida máxima entregada por fibra de 5 kW Energía láser utilizada: 4 kW Tamaño del punto de láser: diámetro de 3 milímetros aproximadamente Velocidad superficial: 250-400 milímetros por minuto índice: 1.5 milímetros Nivel de entrada de polvo: 6 gramos por min. Temperatura de la parte: 800°F Otras variaciones del método descrito están dentro del alcance previsto de esta invención según lo reivindicado abajo. Como se ha indicado previamente, modalidades detalladas de la presente invención son descritas en la presente; sin embargo, debe entenderse que las modalidades descritas son simplemente ejemplares de la invención que puede caracterizarse en varias formas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método para aplicar un material de punto de fusión alto en un sustrato, este sustrato tiene una temperatura de punto de fusión debajo de la temperatura del punto de fusión del material de punto de fusión alto, que comprende: (a) mover un rayo láser generado desde un láser sobre la superficie del sustrato, éste rayo láser comprende longitudes de onda desde aproximadamente 300 a aproximadamente 10,600 nanómetros; (b) proporcionar un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal, a la superficie del sustrato; y ' (c) generar suficiente energía al láser para calentar superficialmente el sustrato y efectuar una unión por fundición térmica entre un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal, y la superficie del sustrato.

2. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el rayo láser comprende longitudes de onda de aproximadamente 1,060 nanómetros o menos.

3. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el rayo láser comprende longitudes de onda desde aproximadamente 700 a aproximadamente 1,060 nanómetros.

4. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el láser crea calentamiento superficial del sustrato sin la distorsión del sustrato.

5. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde la etapa de proporcionar un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende proporcionar el polvo a través de una boquilla de descarga de polvo que tenga una alineación axial diferente de la alineación axial del láser.

6. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde las etapas (a), (b) y (c) son conducidas en cualquier orden suficiente para aplicar el material de punto de fusión alto en el sustrato.

7. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende una superaléación basada en cobalto o una superaleación basada en níquel.

8. Método de conformidad con reivindicación 1, en donde el polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende, en porciento en peso, aproximadamente 5 a 20 de carbono, aproximadamente 20 a 40 de cromo, aproximadamente 0 a 5 de níquel, aproximadamente 0 a 5 de hierro, aproximadamente 0 a 25 de molibdeno, aproximadamente 0 a 25 de tungsteno, aproximadamente 0 a 3 de silicio, aproximadamente 0 a 3 de boro, y cobalto de balance.

9. Método de conformidad con reivindicación 1, en donde el polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal comprende, en porciento en peso, aproximadamente 10 a 30 de cromo, aproximadamente 1 a 10 de molibdeno, aproximadamente 1 a 10 de aluminio, aproximadamente 1 a 10 de hierro, aproximadamente 1 a 10 de tantalio, aproximadamente 0 a 5 de manganeso, aproximadamente 0 a 5 de titanio, aproximadamente 0 a 5 de carbono, aproximadamente 0 a 3 de boro, 0 a 3 de zinc, y níquel de balance.

10. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde un polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal es cobalto-cromo-carburo o níquel-cromo-alumínio.

11. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el espesor del revestido por láser del polvo compuesto de metal, aleación o aleación de metal en el sustrato está entre aproximadamente 0.001 pulgadas y aproximadamente 0.10 pulgadas.

12. Método de la reivindicación 1, en donde el sustrato es cobre o una aleación basada en cobre.

13. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el láser comprende un láser YAG neodimio o láser de diodo.

14. Método de conformidad con la reivindicación 1, en donde el sustrato comprende un componente de máquina seleccionado de toberas en un alto horno, puntas de lanza en un horno de oxígeno básico, boquillas en un horno de arco eléctrico, y placas de molde en un moldeador de planchas continuas.