MXPA05013017A

MXPA05013017A - Proceso de aspersion en frio por vacio.

Info

Publication number: MXPA05013017A
Application number: MXPA05013017A
Authority: MX
Inventors: Douglas Alan Hobbs
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2006-06-07
Also published as: KR20060063639A; US20060121187A1; EP1666636A1; CN1782127A; SG122923A1; JP2006161161A

Abstract

Un metodo para depositar un material metalico sobre un sustrato que comprende los pasos de colocar el sustrato en una camara de vacio, insertar una boquilla de pistola de aspersion en un orificio de la camara de vacio, y depositar un material metalico en polvo sobre una superficie del sustrato sin fundir el material metalico en polvo. El paso de deposito comprende acelerar las particulas de los materiales metalicos en polvo dentro de la camara de vacio a una velocidad de modo que en el impacto las particulas se deforman plasticamente y se unen a una superficie del sustrato.

Description

PROCESO DE ASPERSIÓN EN FRIO POR VACÍO Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para depositar aleaciones metálicas sobre un sustrato.

Antecedentes de la Invención Recientemente se ha introducido la aspersión dinámica de gases en frío, o "aspersión en frío" como una nueva tecnología de metalización por aspersión. El proceso de aspersión de gases en frío que se ha introducido es un proceso al cielo abierto que usa un gas tal como helio para acelerar las partículas metálicas. Parte de la ventaja a la aspersión en frío es que no se recolecta oxígeno durante el depósito, aún a cielo abierto, puesto que las partículas no se funden y están contenidas dentro de una corriente de gas de helio. Hay cierta preocupación que en los revestimientos de múltiples pasadas, puedan haber regiones desunidas entre la pasada inicial y las pasadas subsiguientes. Algunos creen que una vez que se deposita la primera pasada, y la pistola de aspersión se mueve fuera de esa ubicación, la capa exterior del material depositado se oxida y la pasada subsiguiente no explota de forma suficiente o remueve de otro modo esta oxidación y por lo tanto, resulta una entrecara pobremente unida. El asunto de la desunión necesita ser superado si la aspersión en frío va a competir con otros procesos para tecnologías con una baja relación de "compra a vuelo", o tecnologías de aditivos tal como una forma de red manejada con láser.

Breve Descripción de la Invención Por consiguiente, es un objeto de la presente invención proporcionar un método para formar una o más capas depositadas en un sustrato usando aspersión en frió, lo que evita la oxidación de la capa depositada más exterior durante el depósito. Adicionalmente es un objeto de la presente invención proporcionar un método, como antes, que evita la desunión cuando se depositan múltiples capas. Aún es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un sistema mejorado para depositar materiales metálicos sobre un sustrato. Los objetos anteriores se logran por el método de la presente invención. De acuerdo con la presente invención, un método para depositar un material . metálico sobre un sustrato comprende de forma amplia los pasos de colocar el sustrato en una cámara de vacío, insertar una boquilla de pistola de aspersión en un orificio de la cámara de vacío, y depositar un material metálico en polvo sobre una superficie del sustrato, sin fundir el material metálico en polvo. El paso de depósito comprende acelerar las partículas de los materiales metálicos en polvo dentro de la cámara de vacío a una velocidad tal que en el impacto las partículas se deformen plásticamente y se unan a una superficie del sustrato . Adicionalmente de acuerdo con la presente invención, un sistema para depositar un material metálico sobre un sustrato comprende de forma amplia una cámara de vacio en la cual se coloca el sustrato, y un medio para depositar un material metálico en polvo sobre una superficie del sustrato, sin fundir el material metálico en polvo. El medio de depósito incluye una boquilla de pistola de aspersión coloca dentro de un orificio de la cámara de vacío. Otros detalles del proceso de aspersión en frío por vacío, así como otros objetos y ventajas adjuntas a la presente, se exponen en la siguiente descripción detallada y las figuras anexas en donde números de referencia similares representan elementos similares.

Breve Descripción de la Figura La Figura 1, ilustra un sistema para depositar material metálico en un sustrato de acuerdo con la presente • invención.

Descripción Detallada de las Modalidades Preferidas Como se señala - anteriormente, en los años anteriores, se ha desarrollado una técnica conocida como aspersión dinámica de gases en frío ("aspersión en frío") . Esta técnica es ventajosa ya que proporciona suficiente energía para, acelerar las partículas a velocidades suficientemente altas tal que, en el impacto, las partículas se deformen de forma plástica y se unan a la superficie del componente en el cual se están depositando para crear un revestimiento relativamente denso, o depósito estructural . La aspersión en f ío no transforma metalúrgicamente las partículas de su estado sólido. El proceso de aspersión en frío por lo tanto tiene mayor utilidad en* una variedad de procesos, donde es necesario depositar el material metálico sobre un sustrato . Con referencia ahora a la Figura, se muestra un sistema para formar un depósito de material metálico en un sustrato. El sistema incluye una pistola 22 de aspersión que tiene una boquilla 20 de convergencia/divergencia a través de la cual se rocía el material de reparación sobre una superficie 24 del sustrato 10. El sustrato 10 se puede mantener estacionario o se puede girar por cualquier medio adecuado (no mostrado) conocido en la técnica. La boquilla 20 de la pistola de aspersión se inserta en un orificio 50 de una cámara 52 de vacío en la cual se coloca el sustrato 10 a fin de sellarlo de la potencial oxidación. Aún si el gas que se inyecta en la cámara 52 vía la boquilla 20 supera la presión de vacío inicial, no importará si el gas es un gas inerte tal como helio, nitrógeno o mezcla de los mismos. Usando el sistema de la presente invención, se puede aplicar el material al - sustrato 10 en múltiples "pasadas sin que se presente ninguna oxidación entre las pasadas de depósito. Una ventaja del sistema de "la presente invención es que el gas que se usa se puede recuperar fácilmente a través del sistema de vacío, se puede comprimir y reciclar. Esto es particularmente ventajoso para helio cuyo costo es 12 veces el costo del nitrógeno. Aún otra ventaja de usar la cámara 52 de vacío es que se pueden incrementar las velocidades de partículas más allá de aquellas obtenibles en un sistema a cielo abierto. Si se incrementa la velocidad de partícula, se incrementa la calidad del revestimiento debido a una densidad y adhesión mejoradas. En el método de la presente invención, la alimentación del material metálico puede ser un material metálico en polvo tal como aleación metálica en polvo. El material metálico en polvo púede ser la misma aleación como aquella que forma el sustrato o puede ser un material de aleación compatible con el material que forma el sustrato 10. Por ejemplo, el material metálico en polvo puede ser una superaleación en polvo basada en níquel tal como IN 718, IN 625, . IN 100, WASPALOY, IN 939, y GATORIZED WASPALOY, o una aleación en polvo basada en cobre tal como GRCop-84. Las partículas del material metálico en polvo que se usan para formar el depósito en la superficie 24 del " sustrato 10 tienen de manera preferente un diámetro en el intervalo de 5 mieras a 50 mieras. Tamaños de partícula m s pequeños tal como aquellos, mencionados anteriormente permiten el logro de mayores velocidades de partícula. Por debajo de 5 mieras de diámetro, las partículas se arriesgan a ser barridas de la superficie 24 debido a una capa de golpe arqueado por arriba de la superficie 2 . Esto es debido a la insuficiente masa para impulsarse a través del golpe arqueado. Entre más estrecha sea la distribución del tamaño de partículas, mejor será la velocidad. Esto es debido a que si uno tiene partículas grandes y pequeñas (bi-modal) , las pequeñas golpearán a las más grandes que son más lentas y reducirán de forma efectiva la velocidad de ambas . Las partículas finas del material que se va a depositar se pueden acelerar a velocidades supersónicas usando gas comprimido, tal como helio, nitrógeno, u otros gases inertes, y mezclas de los mismos. El helio es un gas preferido. debido a su bajo peso molecular y debido a que produce la mayor velocidad al más alto costo de gas . El mecanismo de unión empleado por el método de la presente invención para transformar el material en polvo en un depósito es estado estrictamente sólido, significando que las partículas se deforman plásticamente. Cualquier capa de óxido que se forme en las partículas se rompe y se hace un contacto fresco de metal a metal a presiones muy altas. El tnaterial metálico en polvo usado para formar el depósito se puede alimentar a la pistola 22 de aspersión usando cualquier medio adecuado conocido en la técnica, tal como alimentadores modificados de aspersión térmica. Un alimentador diseñado a medida que se puede usar se fabrica por Powder Feed Dynamics de Cleveland, Ohio. Este alimentador tiene un mecanismo de alimentación tipo barrena. También se pueden usar alimentadores de lecho fluidizado y alimentadores de rodillo de barril con una ranura anular. En el proceso de la presente invención, los alimentadores se pueden presurizar con un gas seleccionado del grupo que consiste de helio, nitrógeno, otros gases inertes, y mezclas de los mismos. Las presiones de los alimentadores usualmente están por arriba de las presiones de cabezal o de gas ; rincipales , presiones que usualmente están en el intervalo de 250 libras/pulg2 a 500 libras/pulg2, dependiendo de la composición del material en polvo . El gas principal se calienta de manera preferente de modo que las temperaturas de los gases están en el intervalo de 600 grados Fahrenheit a 1200 grados Fahrenheit. Si se desea, el gas principal se puede calentar tan alto como aproximadamente 1250 grados Fahrenheit dependiendo del material que se deposite. El material se puede calentar para mantenerlo del enfriamiento rápido y congelación rápida una vez que se expande más allá de la garganta de la boquilla 20. El efecto neto es una temperatura superficial en la parte que se repara de aproximadamente .115 grados Fahrenheit durante el depósito. Cualquier medio adecuado conocido en la técnica se puede usar para calentar el gas . Para depositar el material metálico, la boquilla puede pasar sobre la superficie 24 de la parte 10 que se repara más de una vez. El' número de pasadas requeridas es una función del espesor del material metálico que se va a aplicar a la superficie 24. El método de la presente invención es capaz de formar un depósito que tiene cualquier espesor deseado. Si se desea formar una capa gruesa, la pistola 22 de aspersión se puede mantener estacionaria y usar para formar un depósito en la superficie 24 que es de varias pulgadas de alto. Cuando se crea una capa de depósito del material metálico, es deseable limitar el espesor por pasada a fin de evitar una acumulación rápida de esfuerzos residuales y desunión indeseada entre las capas de depósito. El gas principal que se usa para depositar las partículas del material metálico sobre la superficie 24 se puede pasar a través de la boquilla 20 vía la entrada 30 y/o entrada 32 a una velocidad de flujo de 0.001 SCFM a 50 SCFM, de manera preferente en el " intervalo de 15 SCFM a 35 SCFM. Las presiones anteriores se prefieren si se usa helio como el gas principal. Si se usa nitrógeno por si mismo o en combinación con helio como es gas principal, el gas nitrógeno se puede hacer pasar a través de la boquilla 20 a una velocidad de flujo de 0.001 SCFM a 30 SCFM, de manera preferente de 4 a 30 SCFM. La temperatura del gas principal puede estar en el intervalo de 600 grados Fahrenheit a 1200 grados Fahrenheit, de manera preferente 700 grados Fahrenheit a 800 grados Fahrenheit, y de manera más preferente de 725 grados Fahrenheit a 775 grados Fahrenheit. La presión de la pistola 22 de aspersión puede estar en el intervalo de 200 libras/pulg2 a 350 libras/pulg2, de manera preferente de 200 libras/pulg2 a 250 libras/pulg2. El material metálico en polvo se alimenta de manera preferente desde una tolva, que está bajo una presión en el " intervalo de 200 libras/pulg2 a 300 libras/pulg2, de manera preferente de 225 libras/pulg2 a 275 libras/pulg2, a la pistola 22 de expresión vía la línea 34 a una velocidad en el intervalo de 10' gramos/min a 100 gramos/rain, de manera preferente de 15 gramos/min a 50 gramos/min. El material metálico en polvo se alimenta de manera preferente a la pistola 22 de expresión usando un gas portador. El gas portador se puede introducir vía la entrada 30 y/o entrada 32 a una velocidad de flujo de 0.001 SCFM a 50 SCFM, de manera preferente de 8 SCFM a 15 SCFM. La velocidad de flujo anterior es útil si se usa helio como el gas portador. Si se usa nitrógeno por si mismo o mezclado con helio se usa como el gas portador, se puede usar una velocidad de flujo de 0.001 SCFM a 30 SCFM, de manera preferente de 4 a 10 SCFM. La boquilla 20 de aspersión se retiene de manera preferente a un distancia desde la superficie 24. Esta distancia . se conoce como la distancia de aspersión. De manera preferente, la distancia de aspersión está en el intervalo de 10 mm a 50 mm.

Si la velocidad de las partículas del material metálico en polvo que deja la boquilla de -aspersión puede estar en el intervalo de 825 m/s a 1400 m/s, de manera preferente de 850 m/s a 1200 m/s. El espesor de depósito por pasada puede estar en el intervalo de 0.001 pulgadas a 0.030 pulgadas. La aspersión en frío ofrece muchas ventajas con respecto a otros procesos de metalización. Puesto que los polvos metálicos usados para el material metálico no se calientan a altas temperaturas, no se presenta oxidación, descomposición, u otra degradación, del material de alimentación. La oxidación del polvo durante el depósito también se controla puesto que las partículas están contenidas dentro de la corriente de gas de aceleración. La aspersión en frío también retiene la microestructura de la alimentación. Aún además, debido a que no se funde la alimentación, la aspersión en frío ofrece la capacidad para depositar materiales que no se pueden rociar de forma convencional debido a la formación de compuesto intermetálicos quebradizos o a la propensión a agrietarse en el enfriamiento durante tratamientos . térmicos subsiguientes. La aspersión en frío, debido a que es un proceso en estado sólido, no calienta de forma - apreciable el sustrato. Como resultado, se reduce al mínimo cualquier distorsión resultante. La aspersión en frío induce esfuerzos compresivos residuales en la superficie, de modo que se elimina la fuerza de impulsión para el agrietamiento por envejecimiento.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Método para depositar un material metálico sobre un sustrato, que comprende los pasos de: colocar el sustrato en una cámara de vacío; insertar una boquilla de pistola de aspersión en un orificio de la cámara de vacío; y depositar un material metálico en polvo sobre una superficie del sustrato, sin fundir el material metálico en polvo .
2. Método según la reivindicación 1, en donde el paso de depósito comprende acelerar las partículas de los materiales metálicos en polvo dentro de la cámara de vacio a una velocidad, de modo que en el impacto, las partículas se deforman plásticamente y se unan a una superficie del sustrato .
3. Método según la reivindicación 1, en donde el paso de depósito comprende proporcionar un material metálico en polvo en forma de partículas que tienen un tamaño de partícula en el intervalo de 5 mieras a 50 mieras y que comprende además alimentar el polvo de material metálico a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad de alimentación de 10 gramos/min a 100 gramos/min a una presión en intervalo de 200 libras/pulg2 a 300 libras/pulg2 usando un gas portador seleccionado del grupo que consiste de helio, nitrógeno y mezclas de los mismos.
4. Método según la reivindicación 3, en donde el paso de alimentación comprende alimentar polvo metálico a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad de alimentación de 15 gramos/min a 50 gramos/min.
5. Método según la reivindicación 3 , en donde el gas portador comprende helio y el paso de alimentación comprende alimentar el helio a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad de flujo de 0.001 SCFM a 50 SCFM.
6. Método según la reivindicación 5, en donde el paso de alimentación comprende alimentar el helio a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad de flujo de 8 a 15 SCFM.
7. Método según la reivindicación 3 , en donde el gas portador comprende nitrógeno y el paso de alimentación comprende alimentar nitrógeno a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad de flujo de 0.001 SCFM a 30 SCFM.
8. Método según la reivindicación 7, en donde el paso de alimentación comprende alimentar el nitrógeno a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad de flujo de 4 a 10 SCFM.
9. Método según la reivindicación 3 , en donde el paso de depósito comprende además hacer pasar las partículas del polvo del material metálico a través de la boquilla de la pistola de aspersión usando un gas principal seleccionado del grupo que consiste de helio, nitrógeno y mezclas de los mismos a una temperatura del gas principal en el intervalo de 600 grados Fahrenheít a 1200 grados Fah.renh.eit y a una presión de aspersión en el intervalo de 200 libras/pulg2 a 350 libras/pulg2.
10. Método según la reivindicación 9, en donde el paso de hacer pasar comprende hacer pasar las partículas de polvo metálico a través de la boquilla de la pistola de aspersión a una temperatura de gas principal en el intervalo de 700 grados Fahrenheit a 800 grados Fahrenheít a una presión de aspersión en el intervalo de 250 libras/pulg2 a 350 libras/pulg2.
11. Método según la reivindicación 9, en donde la temperatura del gas principal está en el intervalo de 725 grados Fahrenheit a 775 grados Fahrenheit.
12. Método según la reivindicación 9, en donde el gas principal comprende helio y el paso de hacer pasar comprende alimentar el helio a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad en el intervalo de 0.001 SCFM a 50 SCFM.
13. Método según la reivindicación 12, en donde el paso de alimentación de helio comprende alimentar el helio a una velocidad de 15 a 35 SCFM.
14. El método según la reivindicación 9, en donde el gas principal comprende nitrógeno y el paso de hacer pasar comprende alimentar nitrógeno a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad en el intervalo de 0.001 SCFM a 30 SCFM.
15. Método según la reivindicación 1 , en donde el paso de alimentación de nitrógeno comprende alimentar nitrógeno .a la boquilla de la pistola de aspersión a una velocidad en el intervalo de 4 a 10 SCFM.
16. Método según la reivindicación 3 , que comprende además mantener la boquilla de la pistola de aspersión a una distancia de 10 mm a 50 mm desde el sustrato.
17. Sistema para depositar un material metálico sobre un sustrato, que comprende: una cámara de vacío en la cual se coloca el sustrato; un medio para depositar un material metálico en polvo sobre una superficie del sustrato sin fundir el material metálico en polvo; y un medio de depósito que incluye una boquilla de pistola de aspersión colocada dentro de un orificio de la cámara de vacio.
18. Sistema según la reivindicación 17, en donde el medio de deposito comprende además un medio para acelerar las partículas del material metálico en polvo a una velocidad de modo que en el impacto las partículas se deforman plásticamente y se unen a la superficie del sustrato .
19. Sistema según la reivindicación 18, que comprende además un medio para proporcionar un gas seleccionado del grupo que consiste de nitrógeno, helio y mezclas de los mismos a una boquilla de pistola de aspersión para acelerar las partículas del material metálico .