ES2246199T3

ES2246199T3 - Revestimiento cuasi-cristalino resistente al desgaste.

Info

Publication number: ES2246199T3
Application number: ES00105405T
Authority: ES
Inventors: Frank J. Manager Application Engineer. Hermanek
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: CA2300627A1; BR0001308A; SG82687A1; ATE305987T1; EP1036857B1; DE60022933T2; KR20000062861A; DE60022933D1; CA2300627C; JP2000282212A; EP1036857A1; US6254699B1

Abstract

Un revestimiento pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que, en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 10 a 20 de Cu, 7 a 22 de Fe, 0 a 30 de Cr, 0 a 30 de Co, 0 a 20 de Ni, 0 a 10 de Mo, 0 a 7, 5 de W y el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales, y que al menos tiene 50 por ciento en peso de fase '', y revestimiento que tiene una macrodureza de al menos HR15N 75.

Description

Revestimiento cuasi-cristalino resistente al desgaste.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

La presente invención se refiere a aleaciones cuasicristalinas de aluminio-cobre-hierro y en particular a revestimientos cuasicristalinos resistentes al desgaste que exhiben propiedades no adhesivas.

Descripción de la técnica relacionada

Los cuasicristales son materiales cuya estructura no se puede entender dentro de la metodología cristalográfica clásica. Estas estructuras cuasiperiódicas tienen un orden de orientación de largo alcance pero carecen de periodicidad transicional. Los cristales convencionales consisten en copias repetidas de una única agrupación atómica geométrica - una celdilla unitaria apilada una tras otra a semejanza de ladrillos. Por otra parte, los cuasicristales, aunque también se construyen a partir de un único tipo de agregados atómicos, difieren en que los agregados adyacentes se solapan, compartiendo átomos con sus vecinos. Cuando los agregados se solapan compartiendo átomos (empaquetamiento cuasiperiódico) producen agrupaciones atómicas más densas que los patrones convencionales, periódicos y repetidos de empaquetamiento.

La estructura no periódica de los cuasicristales da una amplia gama de propiedades físicas, previamente no obtenibles, incorporadas dentro de un único material. Los cuasicristales exhiben una mala conductividad aunque permanecen estables hasta aproximadamente 1100ºC. Así, una capa fina de una superficie conductora del calor distribuirá uniformemente el calor eliminando los "puntos calientes". Estos revestimientos duros promueven la resistencia al desgaste y al rayado. Además, debido a su bajo coeficiente de fricción y a su estructura electrónica (baja energía superficial), poseen propiedades no adhesivas. Finalmente, ofrecen resistencia tanto a la corrosión como a la oxidación.

Los investigadores han identificado más de ochocientas aleaciones cuasicristalinas diferentes. Muchas de estas aleaciones contienen una combinación de aluminio, cobre y hierro. Las aleaciones de Al-Cu-Fe dan el cuasicristal icosahédrico específico identificado en porcentaje atómico como Al_{65}Cu_{20}Fe_{15}. (Esta memoria descriptiva expresa todas las composiciones en porcentaje en peso, a menos que específicamente se especifique lo contrario). Además, en algunos casos estas aleaciones contienen elementos aleantes adicionales tales como cromo, cobalto y níquel. Esto permite que la aleación se acomode a condiciones específicas de operación. Por ejemplo, DuBois et al., en la patente de EE.UU. nº 5.204.191, describe varias aleaciones de Al-Cu-Fe que contienen fases cuasicristalinas.

Sin embargo, independientemente de la química, los cuasicristales no se prestan en sí mismos a una fabricación convencional. No se pueden conformar o moldear fácilmente; sin embargo, se pueden reducir a polvo y pulverizarse térmicamente para formar un revestimiento adherente útil. Sin embargo, hasta donde se sabe, ninguna de estas aleaciones ha establecido un uso comercial extendido.

Es un objeto de esta invención producir un revestimiento de una aleación cuasicristalina de Al-Cu-Fe que tenga una dureza acrecentada para mejorar la resistencia al desgaste.

Es otro objeto de esta invención producir un revestimiento de una aleación cuasicristalina de Al-Cu-Fe que tenga propiedades no adhesivas y resistencia a la oxidación.

Es otro objeto de esta invención producir un revestimiento de una aleación cuasicristalina de Al-Cu-Fe que tenga una superficie lisa de alta densidad.

Sumario de la invención

La presente invención es un revestimiento pulverizado térmicamente según las reivindicaciones 1, 5 y 8. En particular, un aspecto de la invención es un revestimiento pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que esencialmente consiste en, en porcentaje en peso, 10 a 20 de Cu, 7 a 22 de Fe, 0 a 30 de Cr, 0 a 30 de Co, 0 a 20 de Ni, 0 a 10 de Mo, 0 a 7,5 de W y el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales. La aleación contiene al menos 50 por ciento en peso de fase \Psi. El revestimiento tiene una macrodureza de al menos aproximadamente HR15N 75.

Descripción de la realización preferida

El revestimiento consiste en una aleación de Al-Cu-Fe resistente al desgaste que al menos tiene aproximadamente un 50 por ciento en peso de fase \Psi pulverizada térmicamente a una velocidad rápida y suficiente para evitar cantidades perjudiciales de fase \delta. Ventajosamente, esta aleación contiene al menos aproximadamente un 60 por ciento en peso de fase \Psi. Típicamente, contiene aproximadamente de 60 a 90 por ciento en peso de fase \Psi. Más ventajosamente, la aleación contiene al menos 70 por ciento en peso de fase \Psi. El revestimiento pulverizado térmicamente posee una dureza, densidad y alisamiento superficial excelentes. Ventajosamente, el revestimiento tiene una rugosidad de menos que aproximadamente 240 Ra y una porosidad de menos que aproximadamente 5 por ciento. Además, esta aleación cuasicristalina contiene ventajosamente cromo o cobalto para aumentar la resistencia a la corrosión.

El aluminio, cobre, hierro y cromo se fundieron al vacío y se atomizaron en presencia de un gas inerte. El polvo analizado, en tanto por ciento en peso, dio 17,5 de Cu, 13,3 de Fe, 15,3 de Cr y el resto hasta cien por cien de aluminio. Este polvo era completamente esférico y fluía libremente. La tabla 1 lista las propiedades típicas después de tamizar del polvo cuasicristalino de AlCuFeCr atomizado en presencia de un gas inerte.

TABLA 1

	+75 \mum	0,02%
Tamaño	+63 \mum	5,40%
	-63 \mum	94,58%
Densidad aparente	2,14 g/cm^{3}
Caudal (ASTM B213)	30 segundos

Debido a la estructura aperiódica de la red de la aleación, la difracción de rayos X (XRD) identificó los cuasicristales. Las posiciones del cuasicristal o de la fase (icosahédrica (\Psi)) están a aproximadamente 23, 25, 41, 44, 62,5 y 75 - un icosahedro es un polígono que tiene 20 caras y un decágono es un polígono que tiene 10 ángulos y 10 caras. Cuando se atomizó, el polvo tamizado sólo mostró una cantidad menor de fase \Psi. Más bien predominó una fase decagonal (\delta). La presencia de dos (2) fases se atribuyó a la velocidad de enfriamiento experimentada para ir del estado líquido al sólido. La velocidad de enfriamiento, y la subsiguiente solidificación de las partículas en forma de polvo, afectó mucho a los equilibrios de fases resultantes. A velocidades muy rápidas se forma la fase metaestable \Psi; si se ralentiza la solidificación se forma la fase \delta o su forma aproximada. El análisis térmico diferencial realizado sobre el polvo indicó una temperatura de fusión de aproximadamente 1044ºC.

Cuando se reducen a polvo, estos cuasicristales facilitan la pulverización térmica con diversos tipos de equipos. Estos incluyen plasma, HVOF, detonación y otros tipos de equipos para pulverización térmica. Sin embargo, para este ejemplo se seleccionó el plasma como el único medio de aplicación. El equipo usado para aplicar los revestimientos fue la pistola de plasma Praxair SG-100. La pistola se montó sobre un brazo del robot ABB IRB 2400 para facilitar la pulverización automática y asegurar la consistencia.

Se aplicó un revestimiento "duro", uno que es denso y adherente, usando la pistola SG-100 en el modo Mach 1 con argón y helio como gases formadores del plasma. Los parámetros de partida de la tabla 2 consistieron en los establecidos para cuasicristales puros de aluminio-cobre-hierro.

TABLA 2

Ánodo	2083-358
Cátodo	2083-112
Inyector de gas	2083-113
Corriente	800 amperios
Gas primario (Ar)	37,8 l/min
Gas secundario (He)	20,0 l/min
Gas portador (Ar)	5,6 l/min
Caudal de alimentación del polvo	20,0 g/min
Distancia de pulverización	76 mm
Tamaño del polvo	-45 \mum +5 \mum

Se listan once variables paramétricas. Cuatro son activas y no controlables. Estas incluyen el ánodo, el cátodo, el inyector de gases y el tamaño del polvo. Dos, el voltaje y el caudal de gas portador, son activas y controlables; sin embargo, la anterior se regula a través del caudal de gas secundario mientras que se permite que la última permanezca fija. Quedaban cinco parámetros activos y controlables: amperaje, caudales de gas primario y secundario, caudal de alimentación del polvo y distancia de pulverización. Puesto que estos parámetros fueron insuficientes para optimizar la dureza del revestimiento, se añadieron la velocidad de paso de la pistola o la cantidad depositada por paso.

Los revestimientos Mach 1 se aplicaron hasta un espesor de 0,51 a 0,74 mm. Entre los atributos de revestimiento evaluados estaban los ensayos de micro (DPH_{300}) y macrodureza (HR15N); la microestructura, que incluye la densidad y el contenido de óxido que se determina usando análisis de imágenes; la rugosidad superficial; XRD para la distribución de fases; y el ensayo de tracción/ligado. Solamente sobre la base de los resultados de la macrodureza se derivó una serie de parámetros de pulverización optimizados. Junto con la velocidad de paso de la pistola, a los seis parámetros
activos y controlables de la tabla 2 se les dio intervalos altos y bajos. La tabla 3 ilustra los parámetros controlados.

TABLA 3

Amperaje	750	800	850
Secundario	15	20	25
Primario	32,8	37,8	42,8
Velocidad de paso	250	305	355

La tabla 4 de más adelante muestra los resultados de estos ensayos en un sistema ortogonal de tres niveles dándose una dureza Rockwell 15N para cada ensayo de pulverización y la rugosidad o textura de la superficie resultante.

TABLA 4

1

Insertados en un sistema ortogonal Taguchi L27 de tres niveles se evaluaron los niveles alto, medio y bajo de cada variable paramétrica, con particular atención a las interacciones de unos con otros. La tabla de respuestas de los parámetros y los cálculos usados para predecir la dureza del revestimiento se muestran en las tablas 5 y 6. La tabla 5 de más adelante ilustra una tabla de respuestas que contiene la dureza media calculada a tres niveles para los parámetros activos controlables.

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TABLA 5

	Dureza (HR15N)
Amperios A	75,23	75,34	75,0
Secundario B	75,91	75,26	74,41
Primario C	75,92	74,62	75,03
Caudal de alimentación D	76,11	75,47	74,0
Distancia E	75,67	74,71	75,2
Velocidad de paso F	73,86	76,06	75,67

La tabla 6 muestra los cálculos para la dureza alta (\mu) basados en los resultados de la tabla 5.

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TABLA 6

\mu =	T +(A2-T)+(B1-T)+(C1-T)+(D1-T)+(E1-T)+(F2-T)
\mu =	75,19 + (75,34-75,19) + (75,91-75,19) + (75,92-75,19) + (76,11 -75,19) + (75,67-75,19) + (76,06-75,19)
\mu =	75,19 + (0,15) + (0,72) + (0,73) + (0,92) + (0,48) + (0,87)
\mu =	79,06 HNR15N

Con referencia a la tabla de respuestas y seleccionando los valores más altos de dureza para un grupo dado de parámetros, en la tabla 7 se presentan lo valores óptimos para depositar un revestimiento con una dureza típica HR15N de 79,06.

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TABLA 7

Amperaje	800
Secundario (He)	15 l/min
Primario (Ar)	32,8 l/min
Caudal de alimentación	15 g/min
Gas portador (Ar)	5,6 l/min
Distancia de pulverización	76 mm
Velocidad de paso	250 cm/min

TABLA 8

PH_{300}	353 (Rc36)
HR15N	78,0 (Rc36)
Densidad	97,0%
UTS AISI 316	49,88 MPa
UTS SAE 4140	41,51 MPa
UTS 6061T6	17,93 MPa
Textura	232 Ra
Eficiencia del depósito	66%

La tabla 8 representa las propiedades medias del revestimiento derivado de los parámetros optimizados de la tabla 7. A partir de las tablas de respuesta, en la tabla 8 se presentan los parámetros que se consideran producirán más probablemente un revestimiento cuasicristalino duro, denso y bien ligado de alto contenido en la fase icosahédrica (\Psi).

El revestimiento base contenía aproximadamente 70 por ciento en peso de fase \Psi (icosahédrica) con fases \beta (cúbica) y \delta (decagonal). La anchura de los picos sugirió que el revestimiento fue de grano muy fino (< 1 \mum). El revestimiento base contenía porosidad y fisuración transgranular. El revestimiento optimizado, que se piensa está en un estado de no equilibrio, contenía 70 por ciento en peso de la fase \Psi y de la fase \beta. Se apreció algo de fase \delta en el lado izquierdo del pico de mayor intensidad. Los parámetros optimizados mejoraron la densidad, pero permaneció la fisuración transgranular.

El polvo esférico, que fluye libremente, de aleación de AlCuFeCr atomizada en presencia de un gas inerte no contiene un alto porcentaje de la fase aperiódica icosahédrica (\Psi), es decir, cuasicristalina en tres (3) direcciones. Más bien, debido a su velocidad de enfriamiento, está compuesto de cantidades sustanciales de una fase decagonal (\delta) y de una fase cúbica (\beta). Aunque éstas son ambas fases cuasicristalinas, no abarcan la red aperiódica de la fase \Psi. No obstante, cuando se pulverizan vía plasma, en las condiciones apropiadas, pueden retornar a la fase \Psi - - la estructura electrónica de la fase \Psi contribuye a una baja energía superficial y por lo tanto a las buenas propiedades de desprendimiento.

La tabla 9 de más adelante proporciona "aproximadamente" la composición del revestimiento pulverizado térmicamente, en porcentaje en peso.

TABLA 9

Elemento	Amplia	Intermedia	Estrecha
Al	Resto hasta 100%*	Resto hasta 100%*	Resto hasta 100%*
Cu	10 – 20	12 – 20	15 – 20
Fe	7 – 22	10 – 20	10 – 16
Cr	0 – 30	5 – 25**	10 – 20
Co	0 – 30	0 – 20**	0 – 15
Ni	0 – 20	0 – 15	0 – 10
Mo	0 – 10	0 – 7,5	0 – 5
W	0 – 7,5	0 – 6	0 – 5
* Más impurezas incidentales
** Cr + Co es al menos 10

La manipulación paramétrica también puede alterar la estructura atómica de la aleación. Sin embargo, a partir de los datos de la presente memoria, es evidente que como varían tanto la energía térmica como la cinética, las velocidades de enfriamiento se alteran y los revestimientos subsiguientemente producidos reflejan esos cambios. Además, las propiedades inicialmente apuntadas para su modificación no se mejoraron apreciablemente. Por ejemplo, la dureza mejoró hasta un valor de al menos HR15N 75. Más ventajosamente, la aleación tiene una dureza de al menos HR15N 78. Además, pulverizando en el modo de alta velocidad Mach 1, el polvo se calentó y enfrió suficientemente para transformar la fase \delta, la fase decagonal, en la fase icosahédrica \Psi de baja fricción.

Con referencia a la metalografía del revestimiento, nos se previó la extensiva fisuración dentro de los granos individuales. Aunque los cuasicristales icosahédricos son frágiles a temperatura ambiente, no deforman plásticamente a temperaturas superiores. Así, no se reconoció que los granos individuales se ajustarían formativamente al sustrato rugoso cizallando y fisurando más que moldeándose por un moldeo del tipo dúctil. Se creyó que las gotitas en vuelo estaban suficientemente calentadas tal que podrían fácilmente ajustarse al contorno del sustrato, y esto no fue el caso. Los cuasicristales tienen una conductividad térmica muy mala y, por lo tanto, cuando se pulverizan se debe considerar cualquier valor de energía térmica introducida. Esto puede ser de interés cuando se usan varios aparatos de alta velocidad como dispositivos primarios de aplicación.

Los usos potenciales de los revestimientos cuasicristalinos incluyen: superficies no pegajosas para menaje de cocina; placas exclusivas para planchas de vapor de agua; capas base como barreras térmicas; superficies de soporte y lubricantes; papel no pegajoso y rodillos para la fabricación de vidrio; segmentos de pistón; protección antidesgaste por rozamiento para chavetas en cola de milano para superficies aerodinámicas ; aplicaciones contra el desgaste por deslizamiento tales como válvulas y puertas; discos de embrague; y chapas "oscilantes" para compresores de aire acondicionado. Estos revestimientos facilitan la pulverización tanto de sustratos metálicos como no metálicos. En cualquier parte en la que se requiera una superficie altamente untuosa o un material de larga vida sustitutivo del Teflón (Teflón es una marca comercial de DuPont para etileno propileno fluorados) presenta oportunidades para los revestimientos cuasicristalinos. Estos revestimientos pueden además potenciarse mediante la adición de partículas duras tales como carburos, metales, nanocarburos, nitruros, óxidos y compuestos intermetálicos. Ejemplos específicos incluyen: alúmina, cromia, molibdeno y carburos de wolframio, cromo, titanio y vanadio.

Para tener una excelente resistencia al desgaste, el revestimiento tiene una dureza de al menos HR15N 75. Además, para tener unas excelentes propiedades no adhesivas, la aleación cuasicristalina contiene al menos 50 por ciento en peso de fase \Psi. Finalmente, el revestimiento forma una superficie lisa de menos que 240 Ra y tiene una porosidad de menos que 5 por ciento. Las propiedades combinadas del revestimiento son útiles para una variedad de aplicaciones resistentes al desgaste.

Claims

1. Un revestimiento pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que, en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 10 a 20 de Cu, 7 a 22 de Fe, 0 a 30 de Cr, 0 a 30 de Co, 0 a 20 de Ni, 0 a 10 de Mo, 0 a 7,5 de W y el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales, y que al menos tiene 50 por ciento en peso de fase \Psi, y revestimiento que tiene una macrodureza de al menos HR15N 75.

2. El revestimiento según la reivindicación 1, en el que el revestimiento tiene una porosidad de menos que aproximadamente 5 por ciento y una rugosidad de menos que aproximadamente 240 Ra.

3. El revestimiento según la reivindicación 1, en el que la aleación contiene al menos 60 por ciento en peso de fase \Psi.

4. El revestimiento según la reivindicación 1, en el que el revestimiento contiene partículas duras seleccionadas del grupo que consiste en carburos, metales, nanocarburos, nitruros, óxidos y compuestos intermetálicos.

5. Un revestimiento pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que, en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 12 a 20 de Cu, 10 a 20 de Fe, 5 a 25 de Cr, 0 a 20 de Co, al menos un total de 10 de Cr y Co, 0 a 15 de Ni, 0 a 7,5 de Mo, 0 a 6 de W y el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales, y que al menos tiene 50 por ciento en peso de fase \Psi, y revestimiento que tiene una macrodureza de al menos HR15N 78.

6. El revestimiento según la reivindicación 5, en el que el revestimiento tiene una porosidad de menos que aproximadamente 5 por ciento y una rugosidad de menos que aproximadamente 240 Ra y la aleación contiene al menos aproximadamente 60 por ciento en peso de fase \Psi.

7. El revestimiento según la reivindicación 5, en el que el revestimiento contiene partículas duras seleccionadas del grupo que consiste en carburos, metales, nanocarburos, nitruros, óxidos y compuestos intermetálicos.

8. Un revestimiento pulverizado térmicamente formado con una aleación que contiene cuasicristales, aleación que, en porcentaje en peso, esencialmente consiste en 15 a 20 de Cu, 10 a 16 de Fe, 10 a 20 de Cr, 0 a 10 de Co, 0 a 10 de Ni, 0 a 5 de Mo, 0 a 5 de W y que tiene el resto hasta cien por cien de aluminio, con impurezas incidentales, y al menos aproximadamente 50 por ciento en peso de fase \Psi, y revestimiento que tiene una macrodureza de al menos aproximadamente HR15N 78.

9. El revestimiento según la reivindicación 8, en el que el revestimiento tiene una porosidad de menos que aproximadamente 5 por ciento y una rugosidad de menos que aproximadamente 240 Ra y la aleación contiene al menos aproximadamente 70 por ciento en peso de fase \Psi.

10. El revestimiento según la reivindicación 9, en el que el revestimiento contiene partículas duras seleccionadas del grupo que consiste en carburos, metales, nanocarburos, nitruros, óxidos y compuestos intermetálicos.