ES2297754T3 - Procedimiento de pulverizacion con gas frio y pistola de pulverizacion con gas frio con elevado tiempo de permanencia del polvo en el chorro de gas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de pulverización con gas frío, en el que se aceleran partículas en un chorro de gas para producir una capa o un molde y estas partículas atacan a un substrato con alta velocidad, en el que se inyectan (4) partículas de diferente tamaño en un chorro de gas caliente que presenta una temperatura de entrada en boquilla y estas partículas se calientan en el chorro de gas caliente a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión y las partículas se aceleran por expansión en una boquilla (1, 2), y en el que se vuelven a enfriar el chorro de gas y las partículas, caracterizado porque se aumenta el tiempo de permanencia de las partículas en el chorro de gas caliente de modo que al menos un 80% en peso de las partículas alcancen al menos una temperatura de entrada en la boquilla que, expresado en grados Kelvin, ascienda a 0, 7 veces la temperatura de entrada del chorro de gas en la boquilla.

Description

Procedimiento de pulverización con gas frío y pistola de pulverización con gas frío con elevado tiempo de permanencia del polvo en el chorro de gas.

La invención concierne a un procedimiento de pulverización con gas frío en el que se aceleran partículas en un chorro de gas para producir una capa o un molde y éstas inciden con alta velocidad sobre un substrato, inyectándose partículas de tamaño diferente en un chorro de gas caliente que presenta una temperatura de entrada en boquilla y calentándose estas partículas en el chorro de gas caliente hasta una temperatura por debajo de la temperatura de fusión, y acelerándose las partículas por expansión en una boquilla, enfriándose nuevamente el chorro de gas y las partículas. Asimismo, la invención concierne a una pistola de pulverización con gas frío que comprende una boquilla para acelerar el chorro de gas y las partículas, cuya boquilla se descompone en un tramo de boquilla convergente y una salida de boquilla, las cuales se confunden una con otra en el cuello de la boquilla, y un tubo de inyección de polvo que termina delante del cuello de la boquilla.

En la pulverización con gas frío se acelera un gas en una boquilla de Laval hasta una velocidad supersónica. Se inyecta el material de revestimiento como polvo en el chorro de gas antes o después del cuello de la boquilla y se le acelera hacia el substrato a velocidades comprendidas entre 200 y 1.600 m/s, preferiblemente entre 600 y 1.200 m/s. Las partículas llevadas a alta velocidad forman al hacer impacto una capa densa y firmemente adherida. Se tienen que deformar para ello las partículas. Un calentamiento del chorro de gas aumenta la velocidad de flujo del gas y, por tanto, aumenta también la velocidad de las partículas. El calentamiento de las partículas ligado también a esto favorece la deformación al hacer impacto. Sin embargo, la temperatura del gas está netamente por debajo de la temperatura de fusión del material de revestimiento, de modo que no puede tener lugar una fusión de las partículas en el chorro de gas. En comparación con los procedimientos de pulverización térmica, en la pulverización con gas frío se pueden evitar los inconvenientes ligados a la fusión, tales como oxidación y otras transformaciones de fases.

El procedimiento de pulverización con gas frío está incluido, por ejemplo, en el documento EP 484 533, en el que se revelan las características del preámbulo de las reivindicaciones 1 y 5 independientes. En tiempos muy recientes, se ha visto que se obtienen capas densas y firmemente adheridas no sólo cuando el gas se acelera en una boquilla de Laval hasta una velocidad supersónica, sino también cuando el gas se acelera tan sólo a velocidades próximas a la velocidad del sonido. Un procedimiento con aceleración a velocidades próximas a la velocidad del sonido está incluido, por ejemplo, en el documento DE 101 19 288. Una boquilla de Laval se descompone en un tramo convergente, que termina en el cuello de la boquilla, y en un tramo divergente que comienza en el cuello de la boquilla. Una boquilla en la que se acelera el gas hasta casi la velocidad del sonido se descompone en un tramo convergente y un tramo adyacente a éste que es de configuración cónica o cilíndrica.

Es ventajoso para la capa que las partículas estén calientes (pero no fundidas) al hacer impacto en el substrato, ya que esto favorece la deformación plástica. Una fusión de las partículas puede variar las propiedades del revestimiento en perjuicio de éste. Se calienta el gas para elevar la temperatura de las partículas. En el documento EP 924 315 se describe un procedimiento en el que se calienta el gas ya directamente después de la captación del tampón de gas y se conduce el gas calentado hacia la pistola de pulverización. El dispositivo del documento EP 1 200 200, en el que se emplea aire como gas portador, incluye también un calentamiento del gas antes de que éste sea conducido hacia la pistola de pulverización. La inyección de las partículas se efectúa en posición axial y centrada en el tramo convergente de la boquilla, normalmente por medio de un tubo de inyección de polvo. En consecuencia, la transmisión del calor del gas a las partículas de pulverización tiene lugar sustancialmente en el tramo convergente y en la zona del cuello de la boquilla. Después del cuello de la boquilla se enfría nuevamente el chorro de gas debido a la expansión del gas y al aumento de velocidad ligado a esto. Tan pronto como la temperatura del gas cae por debajo de la temperatura de las partículas, se enfrían nuevamente las partículas. Dado que las partículas no presentan todas el mismo tamaño, sino todos los tamaños hasta un valor máximo que especifica el tamaño de las partículas, la absorción de calor de las partículas es muy diferente. Las partículas pequeñas se calientan claramente con más facilidad, pero se vuelven a enfriar también con más rapidez, mientras que las partículas más grandes se calientan con más dificultad, pero se vuelven a enfriar también con más lentitud. Por estos motivos, la realización del calentamiento de las partículas se ha resuelto hasta ahora sólo de manera insatisfactoria. Especialmente en partículas bastante gruesas se puede almacenar todavía una cantidad de energía térmica netamente mayor que la que se presenta con los procedimientos usuales hasta ahora.

Además, en tiempos muy recientes se ha visto que la velocidad crítica necesaria para la adherencia de las partículas disminuye en muchos materiales de pulverización al hacerse mayor el diámetro de las partículas. Este efecto del tamaño favorece el empleo de partículas más gruesas en el proceso de pulverización.

La invención se basa en el problema de indicar un procedimiento y un dispositivo que mejoren la absorción de calor de las partículas y conduzcan así a mayores temperaturas de las partículas al hacer impacto en el substrato y que mejoren el empleo de partículas más gruesas.

El problema se resuelve según la invención en lo que concierne al procedimiento por el hecho de que se incrementa el tiempo de permanencia de las partículas en el chorro de gas caliente, con lo que al menos un 80% en peso de las partículas alcanzan al menos una temperatura de entrada en la boquilla que, expresado en grados Kelvin, es de 0,7 veces la temperatura de entrada del chorro de gas en la boquilla. A este fin, en el procedimiento según la invención se ajusta el tiempo de permanencia en el chorro de gas caliente de tal manera que alcancen al menos el valor de 0,7 veces la temperatura del chorro de gas, expresado en grados Kelvin, no sólo las partículas más pequeñas que se calientan con mucha rapidez, sino que también alcancen esta temperatura las partículas más grandes que se calientan de manera relativamente lenta. Por tanto, debido al aumento del tiempo de permanencia casi todas las partículas alcanzan el nivel de temperatura deseado. Se incrementa así netamente con el procedimiento según la invención la proporción de energía calorífica que, además de la energía cinética, está disponible en el momento del impacto. Esto no es posible mediante un aumento de la temperatura de entrada del chorro de gas en la boquilla: Con una mayor temperatura del gas se conseguiría ciertamente que se calentaran en mayor medida las partículas más grandes, pero las partículas más pequeñas se fundirían y no se ajustarían las propiedades de las capas que son típicas para la inyección con gas frío. Por el contrario, con el procedimiento según la invención se incrementa en conjunto el nivel de temperatura de las partículas, pero sin correr entonces el riesgo de que se fundan las partículas más pequeñas. Esto se consigue, por un lado, ajustando una temperatura de entrada del gas en función de las propiedades de las partículas y preferiblemente por debajo de la temperatura de fusión de las partículas y, por otro lado, eligiendo tan largo el tiempo de permanencia que también las partículas más grandes se calienten al nivel de temperatura deseado.

Por tanto, con el procedimiento según la invención se consigue que las partículas, al hacer impacto, estén netamente más calientes que en los procedimientos usuales hasta ahora. Las temperaturas al hacer impacto son ventajosamente 100 a 400ºC superiores a las temperaturas usuales hasta ahora. Al chocar con la pieza de trabajo, las partículas más calientes, debido a su reblandecimiento térmico, se deforman mejor que las partículas más frías. Aparte de la energía cinética, está disponible ahora netamente más energía térmica de las partículas para la formación de la capa. El aumento de la energía disponible conduce a una mejora de la adherencia de las partículas sobre el substrato y de las partículas unas con otras. En consecuencia, a una misma velocidad de impacto de las partículas, se mejoran netamente con el procedimiento según la invención la resistencia y la calidad de la capa. Cuando la velocidad de impacto es más pequeña que la usual hasta ahora -eventualmente debido a la clase de construcción de la boquilla o debido al empleo de polvos con mayores diámetros de partícula-, las partículas se adhieren satisfactoriamente a pesar de la menor energía cinética, ya que está disponible energía adicional para las partículas en forma de calor. El empleo de polvos con mayores diámetros de partícula, el cual resulta posible con el procedimiento según la invención aprovechando al mismo tiempo efectos de tamaños (la velocidad crítica para la adherencia de las partículas disminuye al aumentar el diámetro de estas partículas), incrementa la rentabilidad de la pulverización con gas frío, ya que las partículas más gruesas son más favorables que las más finas. Además, las partículas más gruesas se pueden transportar mejor y tienen menos tendencia a aglomerarse en la boquilla.

La temperatura de entrada de las partículas en la boquilla asciende de manera especialmente ventajosa a 0,8 veces y de preferencia a 0,9 veces la temperatura de entrada del chorro de gas en la boquilla. A temperaturas más altas de las partículas está disponible al hacer impacto más calor para la formación de la capa y se ponen de manifiesto las mejoras de las propiedades de la capa atribuibles al procedimiento según la invención. Las partículas que hacen impacto son ductilizadas por la mayor temperatura de impacto y se deforman mejor. La calidad de aglutinación es más alta y la capa como un todo es más densa y se reducen las tensiones propias.

Ventajosamente, al menos el 90% en peso y preferiblemente al menos el 95% en peso de las partículas alcanzan la temperatura de entrada en la boquilla. Cuantas más partículas alcancen una temperatura más alta, tanta más energía estará disponible durante el impacto. Cuando, según la invención, más partículas alcanzan una temperatura más alta, esto significa que también las partículas más grandes se calientan a temperaturas más altas. Las partículas más grandes tienen una fuerte influencia sobre las propiedades de la capa, de modo que estas propiedades mejoran fuertemente por efecto del calentamiento de las partículas grandes. Resulta posible también formar por pulverización capas aceptables con polvos de grano más grueso aprovechando al mismo tiempo efectos de tamaños (la velocidad crítica para la adherencia de las partículas disminuye al aumentar el diámetro de estas partículas), ya que especialmente en el caso de polvos más gruesos se tiene que, aparte de la energía cinética, es ineludible el reblandecimiento térmico para la formación de la capa.

En una ejecución ventajosa de la invención se emplean partículas con un tamaño de partícula de menos de 200 \mum, preferiblemente menos de 100 \mum y de manera especialmente preferible menos de 50 \mum. No es necesaria una limitación del tamaño de las partículas a un tamaño mínimo o la fijación de una ventana para el tamaño de las partículas, ya que en el procedimiento según la invención las partículas más pequeñas que se presentan en el polvo adquieren como máximo una temperatura de entrada en la boquilla que corresponde a la temperatura de entrada del gas en la boquilla. Condicionado por el procedimiento, la temperatura de entrada del gas en la boquilla está por debajo de la temperatura de fusión del material de pulverización.

El problema se resuelve según la invención para el dispositivo haciendo que el tubo de inyección de polvo termine a más de 40 mm delante del cuello de la boquilla. El dispositivo según la invención conduce a un mayor tiempo de permanencia de las partículas de pulverización en el chorro de gas caliente y, por tanto, presenta todas las ventajas antes citadas.

Ventajosamente, el tubo de inyección de polvo termina 40 a 500 mm, preferiblemente 60 a 400 mm y de manera especialmente preferida 80 a 250 mm delante del cuello de la boquilla. A estas distancias, la prolongación del tiempo de permanencia es suficientemente grande para calentar las partículas y la pistola de pulverización con gas frío sigue siendo de fácil manejo.

En una ejecución ventajosa de la invención se ha dispuesto una antecámara delante del tramo convergente de la boquilla, terminando el tubo de inyección de polvo en la antecámara. Debido a la terminación -no usual hasta ahora- del tubo de inyección de polvo en la antecámara se prolonga el tiempo de permanencia de las partículas en el gas caliente.

Ventajosamente, el tramo convergente de la boquilla tiene aquí una longitud comprendida entre 20 y 100 mm. Por tanto, la prolongación del tiempo de permanencia de las partículas en el gas caliente por efecto del aumento de la distancia entre el extremo del tubo de inyección de polvo y el cuello de la boquilla se produce como consecuencia de una prolongación de la antecámara. Una prolongación de la antecámara es fácil de realizar en el aspecto técnico de fabricación, especialmente porque se pueden seguir empleando las boquillas usuales hasta ahora.

En otra ejecución ventajosa de la invención el tubo de inyección de polvo termina en el tramo convergente de la boquilla. Una prolongación del tramo convergente aumenta también el tiempo de permanencia en el chorro de gas caliente.

En una ejecución ventajosa la salida de la boquilla está configurada en forma divergente o bien terminando en forma cilíndrica o cónica. Tales geometrías de la boquilla son adecuadas de manera especial para la pulverización con gas frío.

En lo que sigue se explica con más detalle primeramente una boquilla con inyección de polvo según el estado de la técnica y seguidamente la invención con ayuda de tres ejecuciones dadas a título de ejemplo. Muestran para ello:

La figura 1, una boquilla con inyección de polvo según el estado de la técnica,

La figura 2, una ejecución a título de ejemplo de la invención con antecámara prolongada,

La figura 3, otra ejecución a título de ejemplo con tramo de boquilla convergente prolongado y

La figura 4, una tercera ejecución a título de ejemplo con antecámara prolongada y tramo de boquilla convergente prolongado.

Asimismo, la figura 5 muestra el desarrollo de la temperatura del gas y de las partículas desde la inyección del polvo hasta la salida de la boquilla para una inyección de polvo según el estado de la técnica y para la inyección de polvo según la invención.

Las figuras 1 a 4 incluyen una boquilla con un tramo de boquilla convergente 1 y una salida de boquilla 2, una antecámara 3 (con excepción de la figura 3) y un tubo de inyección de polvo 4.

La figura 1 muestra la inyección -usual hasta ahora- de las partículas en la boquilla. La boquilla se descompone en un tramo de boquilla convergente 1 que se confunde en el cuello de la boquilla con la salida 2 de esta boquilla. Delante del tramo de boquilla convergente 1 se encuentra una antecámara 3 en la que entra el gas antes de que éste llegue a la boquilla. El tubo de inyección de polvo 4 se extiende más allá de la antecámara 3 y termina en el tramo convergente 1 de la boquilla. El extremo del tubo de inyección de polvo se encuentra usualmente delante del cuello de la boquilla a una distancia de éste de 20 a 30 mm.

En la ejecución a título de ejemplo según la figura 2 la antecámara 3 es de construcción netamente más larga que la usual hasta ahora. El tubo de inyección de polvo 4 termina ya bastante delante en la antecámara 3. Por tanto, la distancia entre el extremo del tubo de inyección de polvo y el cuello de la boquilla está prolongada en comparación con las ejecuciones usuales hasta ahora. Esta distancia asciende ahora ventajosamente -con dimensiones inalteradas de la boquilla- a al menos 40 mm. Es posible una distancia de 500 mm y más. Preferiblemente, la distancia está comprendida entre 60 mm y 400 mm y de manera especialmente preferida es de 80 a 250 mm.

La figura 3 muestra otra ejecución a título de ejemplo. Aquí se ha prolongado el tramo convergente 1 de la boquilla en comparación con las ejecuciones usuales hasta ahora. El tubo de inyección de polvo 4 termina en la zona delantera del tramo convergente 1 de la boquilla. Eventualmente, delante del tramo convergente de la boquilla está dispuesta una corta antecámara. La distancia entre el extremo del tubo de inyección de polvo y el cuello de la boquilla alcanza ventajosamente, debido a la prolongación del tramo convergente, los valores citados para el ejemplo anterior.

En la figura 4 se muestra otra ejecución a título de ejemplo. El aumento de la distancia entre el extremo del tubo de inyección de polvo y el cuello de la boquilla se consigue aquí por medio una prolongación del tramo convergente 1 de la boquilla y de la antecámara 3. El tubo de inyección de polvo 4 termina en la antecámara 3. Ventajosamente, se ajustan de nuevo los valores antes citados para la distancia.

Para todas las ejecuciones dadas a título de ejemplo (figuras 2 a 4) hay que aspirar a conseguir un aislamiento térmico de la antecámara y el tramo convergente de la boquilla a fin de evitar pérdidas de calor innecesarias y minimizar la carga térmica de componentes portantes.

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En los procedimientos usuales hasta ahora con una inyección de polvo a 20 mm por delante del cuello de la boquilla se tiene que, empleando nitrógeno para el chorro de gas, a una presión del gas de 30 bares y una temperatura del gas de 600ºC antes de la entrada en la boquilla, se alcanza para una partícula de 5 \mum de diámetro, al hacer impacto, una temperatura de solamente 50ºC, mientras que una partícula de 50 \mum de diámetro presenta, al hacer impacto, una temperatura de 175ºC. En la inyección temprana de partículas según la invención se tiene que, con parámetros iguales del proceso y, además, con dimensiones inalteradas de la boquilla, las partículas atacan al substrato con temperaturas netamente más altas. Cuando la inyección de partículas se efectúa a 80 mm delante del cuello de la boquilla, una partícula de 50 \mum de diámetro presenta, al hacer impacto, una temperatura de 280ºC, y en el caso de una inyección de partículas 150 \mum delante del cuello de la boquilla, esta partícula presenta incluso una temperatura de 340ºC. Mediante el procedimiento según la invención se aumenta, entre otras cosas, la resistencia de la capa producida: empleando partículas de cobre de la granulometría -38+10 \mum, la resistencia de la capa de cobre aplicada por pulverización aumenta de 100 MPa (a una distancia de 20 mm) a 150 MPa (a una distancia de 250 mm).

En la figura 5 se representa la evolución de la temperatura de partículas de cobre con un diámetro de 45 \mum. Para el chorro de gas se ha introducido nitrógeno a 30 bares y 600ºC en la pistola de pulverización con gas frío. En el diagrama se ha registrado hacia la derecha el lugar en m, indicando los valores negativos las distancias delante del cuello de la boquilla e indicando los números positivos las distancias después del cuello de la boquilla en dirección a la salida de ésta. Hacia arriba, se indica la temperatura en ºC. La curva C muestra la evolución de la temperatura del gas: La corriente de gas llega a la antecámara con una temperatura de 580ºC. En la zona del cuello de la boquilla comienza a enfriarse el gas muy rápidamente a consecuencia de la expansión. Después de la rápida caída se extingue lentamente la caída de temperatura. La curva B muestra la evolución de la temperatura de una partícula con una inyección efectuada 20 mm delante del cuello de la boquilla. La temperatura de las partículas aumenta hasta el cuello de la boquilla alcanzando aproximadamente 230ºC. Después del cuello de la boquilla se vuelven a enfriar las partículas de manera relativamente uniforme y a la salida de la boquilla la temperatura de dichas partículas es de 180ºC. Cuando, según la invención, se efectúa la inyección de las partículas 150 mm delante del cuello de la boquilla, aumenta la temperatura de las partículas hasta el cuello de la boquilla alcanzando 480ºC. Después del cuello de la boquilla disminuye la temperatura de las partículas y a la salida de la boquilla esta temperatura es de 340ºC. Por tanto, debido al desplazamiento del lugar de inyección de 20 mm a 150 mm delante del cuello de la boquilla, la temperatura de las partículas a la salida de la boquilla aumenta en 160ºC.

Lista de símbolos de referencia

1

Tramo de boquilla convergente

2

Salida de la boquilla

3

Antecámara

4

Tubo de inyección de polvo.

Claims (10)

1. Procedimiento de pulverización con gas frío, en el que se aceleran partículas en un chorro de gas para producir una capa o un molde y estas partículas atacan a un substrato con alta velocidad, en el que se inyectan (4) partículas de diferente tamaño en un chorro de gas caliente que presenta una temperatura de entrada en boquilla y estas partículas se calientan en el chorro de gas caliente a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión y las partículas se aceleran por expansión en una boquilla (1, 2), y en el que se vuelven a enfriar el chorro de gas y las partículas, caracterizado porque se aumenta el tiempo de permanencia de las partículas en el chorro de gas caliente de modo que al menos un 80% en peso de las partículas alcancen al menos una temperatura de entrada en la boquilla que, expresado en grados Kelvin, ascienda a 0,7 veces la temperatura de entrada del chorro de gas en la boquilla.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de entrada de las partículas en la boquilla asciende a 0,8 veces y preferiblemente a 0,9 veces.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque al menos el 90% en peso y preferiblemente el 95% en peso de las partículas alcanzan la temperatura de entrada en la boquilla.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se emplean partículas con un tamaño de partícula de menos de 200 \mum, preferiblemente menos de 100 \mum y de manera especialmente preferida menos de 50 \mum.

5. Pistola de pulverización con gas frío que comprende una boquilla para acelerar un chorro de gas y unas partículas, cuya boquilla se descompone en un tramo de boquilla convergente (1) y una salida de boquilla (2), los cuales se confunden uno con otra en el cuello de la boquilla, y un tubo de inyección de polvo (4) que termina delante del cuello de la boquilla, caracterizada porque el tubo de inyección de polvo (4) termina a más de 40 mm delante del cuello de la boquilla.

6. Pistola de pulverización con gas frío según la reivindicación 5, caracterizada porque el tubo de inyección de polvo termina 40 a 500 mm, preferiblemente 60 a 400 mm y de manera especialmente preferida 80 a 250 mm delante del cuello de la boquilla.

7. Pistola de pulverización con gas frío según la reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque delante del tramo convergente (1) de la boquilla está dispuesta una antecámara (3), terminando el tubo de inyección de polvo (4) en la antecámara (3).

8. Pistola de pulverización con gas frío según la reivindicación 7, caracterizada porque el tramo convergente (1) de la boquilla tiene una longitud comprendida entre 20 y 100 mm.

9. Pistola de pulverización con gas frío según la reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque el tubo de inyección de polvo (4) termina en el tramo convergente (1) de la boquilla.

10. Pistola de pulverización con gas frío según una de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizada porque la salida (2) de la boquilla está configurada en forma divergente o bien terminando en forma cilíndrica o cónica.