ES2829406T3 - Barrera térmica, artículo con una barrera térmica y método de aplicación de una barrera térmica a una superficie - Google Patents
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Abstract
Artículo con una barrera térmica que comprende un recubrimiento de material cerámico que comprende del 20 al 100% en peso de dióxido de titanio, en el que la barrera térmica es un recubrimiento pulverizado por plasma que tiene un aspecto gris oscuro o negro, siendo el grosor del recubrimiento de al menos 100 micrómetros, estando el artículo compuesto por metal y siendo un tubo de escape de automóvil o un tubo de escape de motocicleta.
Description
DESCRIPCIÓN
Barrera térmica, artículo con una barrera térmica y método de aplicación de una barrera térmica a una superficie Esta invención se refiere a una barrera térmica, a un artículo con una barrera térmica y a un método de aplicación de una barrera térmica a una superficie.
Una situación conocida en la que se requiere una pantalla térmica es para un tubo de escape para un vehículo tal como un automóvil o una motocicleta. El calor procedente del tubo de escape y el motor asociado, particularmente en vehículos de alto rendimiento, es tal que existe la posibilidad de daño por calor a los componentes circundantes, y el riesgo de que se prenda fuego a materiales combustibles, tales como hierba seca, que entran en contacto con el sistema, así como el riesgo de quemaduras en la piel de cualquier persona que entre en contacto con el sistema caliente.
Actualmente existen dos soluciones conocidas:
1. Es posible proporcionar carcasas mecánicas con un entrehierro interno o aislante térmico, protectores físicos y pantallas térmicas. Sin embargo, esto generalmente es antiestético y costoso. Además, ocupa un espacio apreciado y añade peso al vehículo.
2. También es posible aplicar un material de aislamiento térmico (por ejemplo, óxido de circonio) directamente al interior y/o al exterior del sistema. Esto puede realizarse a través de pintado o pulverización por plasma. Este material de aislamiento es antiestético en su forma natural (su color natural es blanco/amarillo), es poroso a menos que se pinte y es susceptible de daño por fragmentos de piedras, choque térmico (a partir de agua de la superficie de la carretera), decoloración y manchado. Aunque la decoloración y el manchado no son un problema cuando se aplican a componentes ocultos y protegidos, es mucho menos aceptable cuando el recubrimiento está expuesto y es visible, por ejemplo en un tubo de escape de automóvil o un tubo de escape de motocicleta. El documento WO98/53113 da a conocer el uso de un dióxido de titanio pulverizado por plasma como recubrimiento de barrera térmica que se aplica sobre un artículo metálico de automóvil.
Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un artículo según la reivindicación 1.
La barrera térmica de la invención es extremadamente tenaz, resistente al desgaste, resistente al rayado, resistente a fragmentos de piedras, resistente a la corrosión y/o al ataque químico, y es altamente resistente al choque térmico. El dióxido de titanio es blanco de manera natural, pero pierde oxígeno durante el procedimiento de pulverización por plasma y como resultado cambia de color. El recubrimiento cerámico pulverizado por plasma tiene un brillo negro satinado, que puede considerarse más atractivo que el blanco natural o colores pálidos de la mayoría de materiales cerámicos. El recubrimiento pulverizado por plasma tiene la ventaja adicional de conservar su aspecto uniforme cuando se calienta (a menos que sea de manera excesiva), a diferencia de, por ejemplo, los tubos de escape metálicos, que pueden mostrar decoloración.
Un nivel alto de porosidad en el recubrimiento aumenta adicionalmente la resistencia térmica. La porosidad puede ser de al menos del 5%, preferiblemente de al menos del 10%. La cantidad de poros puede ser suficiente para producir grietas finas en el material cerámico, sin que las grietas produzcan un fallo total del material cerámico. Las grietas finas aumentan adicionalmente el vacío en el recubrimiento de cerámica, permitiendo de ese modo que se aumente la resistencia térmica, sin afectar negativamente al recubrimiento hasta el punto de que falle y se desprenda de la superficie que va a recubrirse.
Cando el recubrimiento es una mezcla de dióxido de titanio con al menos otro material cerámico, el recubrimiento comprende preferiblemente más de aproximadamente el 30% en peso de dióxido de titanio. El otro material cerámico puede añadirse para cambiar y controlar las propiedades de la barrera tal como el color final, el acabado de superficie, la textura y las propiedades físicas de la barrera. Cuando el recubrimiento no es solamente dióxido de titanio, el o cada uno de los otros materiales cerámicos puede ser cualquier material cerámico adecuado, pero preferiblemente el otro material cerámico incluye al menos uno de dióxido de circonio, dióxido de cromo, óxido de aluminio y circonato de magnesio.
La barrera térmica puede tener un grosor constante. En una realización alternativa, el recubrimiento puede tener diferentes grosores en diferentes lugares para proporcionar diferentes grados de protección contra el calor. La barrera térmica tiene al menos 100 micrómetros en grosor. Cuanto más grueso es el recubrimiento, mejores son las propiedades de la barrera térmica. Preferiblemente, la barrera térmica no tiene más de 500 micrómetros de grosor. El artículo puede estar compuesto por acero.
El artículo puede incluir al menos una capa intermedia por debajo de la barrera térmica. La o una capa intermedia puede ser de metal o aleación de metal, y puede ser de o contener níquel.
Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método según la reivindicación 10.
La pulverización térmica es un método de deposición deseable, ya que puede introducirse una cantidad controlable de porosidad en el recubrimiento. La pulverización térmica se lleva a cabo mediante pulverización por plasma, y preferiblemente mediante pulverización por plasma de nitrógeno.
Preferiblemente el al menos un otro material cerámico comprende al menos uno de dióxido de circonio, dióxido de cromo, óxido de aluminio y circonato de magnesio.
Preferiblemente la superficie se desbasta antes de la pulverización del recubrimiento térmico, por ejemplo mediante granallado. El desbaste de la superficie mejora la actividad química y física de la superficie, y aumenta el área superficial mejorando, por tanto, la fuerza de unión del recubrimiento.
Preferiblemente, el método comprende además aplicar un recubrimiento de unión a la superficie antes de aplicar la barrera térmica. El recubrimiento de unión puede ser un metal o una aleación de metal, y puede contener níquel. El recubrimiento de unión proporciona una unión más segura entre el recubrimiento de barrera térmica y la superficie que va a recubrirse. Además, minimiza el efecto de desajuste térmico entre la superficie y el recubrimiento superior de cerámica.
Según un aspecto adicional de la invención se proporciona el uso según la reivindicación 14.
Ahora se describirán a modo de ejemplo realizaciones de la invención.
Realización 1
En esta realización, se aplicó un recubrimiento de barrera térmica a un tubo de escape de acero dulce.
Antes del recubrimiento, el tubo de escape se desengrasó exhaustivamente, por dentro y por fuera, usando acetona. Se enmascararon las zonas que no requerían recubrimiento usando una cinta adhesiva patentada. El tubo se granalló para proporcionar una superficie desbastada, usando un sistema de granallado de tipo sifón a 2,76 bar (40 psi) con granalla de óxido de aluminio de 0,4 a 0,5 mm.
El tubo desbastado se montó en un mandril rotatorio, en una cabina de pulverización por plasma equipada con un sistema de manipulación por robot. El robot se programó para pulverizar el tubo rotatorio.
Un recubrimiento de unión a base de níquel que comprende níquel - el 40% de aluminio se pulverizó por plasma sobre el tubo para dar un grosor de ~100 pm. Los parámetros de pulverización por plasma usados fueron 50 slpm de nitrógeno, 5 slpm de hidrógeno, 400 A de corriente, 5 slpm de gas portador, 100 mm de distancia de pulverización, 45 g/min de flujo de polvo.
Entonces se aplicó el recubrimiento de barrera térmica mediante pulverización por plasma de una mezcla al 50/50% en peso de dióxido de titanio y circonato de magnesio encima del recubrimiento de unión. El recubrimiento de barrera térmica se aplicó hasta un grosor de ~200 pm. Los parámetro de pulverización por plasma usados fueron 45 slpm de nitrógeno, 5 slpm de hidrógeno, 500 A de corriente, 5 slpm de gas portador, 75 mm de distancia de pulverización, 65 g/min de flujo de polvo, de 50 a 90 micrómetros de tamaño de partícula de polvo cerámico. La cerámica se pulverizó por plasma de modo que el recubrimiento resultante tuviera un grosor graduado, siendo más grueso más cerca del extremo de entrada del tubo de escape y más delgado más cerca del extremo de salida. Una vez aplicados los recubrimientos, se retiró la cinta adhesiva, dejando un recubrimiento gris oscuro/negro en las zonas requeridas del tubo.
El tubo de escape se probó entonces para determinar las propiedades de choque térmico calentándolo hasta 500°C, después sumergiéndolo en agua a 20°C y repitiendo ese procedimiento 30 veces. El recubrimiento del tubo de escape no mostró no signos de fallo, y la prueba no tuvo ningún impacto sobre su aspecto. Las pruebas de mayor duración en las que el tubo de escape se sometió a una prueba de vida útil acelerada de veinte años, mostraron que el tubo de escape y su recubrimiento permanecieron intactos y operables, sin corrosión, y de aspecto todavía aceptable, prolongado de ese modo la vida útil del sistema en general.
La porosidad fue normalmente del 10%, con una conductividad térmica de 2 W/mK.
Realización 2
En esta realización, se aplicó un recubrimiento de barrera térmica a una pantalla térmica de acero inoxidable.
La pantalla térmica se preparó de la misma manera que el tubo de escape en la realización 1.
El robot se programó para realizar un movimiento en escalera a través de la pantalla térmica.
Se aplicó un recubrimiento de unión a base de níquel como en la realización 1.
Entonces se aplicó el recubrimiento de barrera térmica mediante pulverización por plasma del 100% en peso de dióxido de titanio usando los mismos parámetros que en la realización 1
El recubrimiento térmico resultante era negro.
El aumento de peso se usó para determinar el grosor del recubrimiento que fue de 200 pm.
Las propiedades fueron similares a las de la realización 1.
Realización 3
En esta realización, se aplicó un recubrimiento de barrera térmica a un colector de escape.
El colector de escape se preparó de la misma manera que las piezas de las realizaciones 1 y 2.
Como el colector de escape tenía una forma compleja, se llevó a cabo la pulverización por plasma usando una pistola de pulverización por plasma manual.
Se aplicó un recubrimiento de unión a base de níquel, de la misma composición que la de los recubrimientos de unión usados en las realizaciones 1 y 2, como una capa uniforme delgada.
Entonces se aplicó el recubrimiento de barrera térmica mediante pulverización por plasma de una mezcla al 40/60% en peso de tamaño de partícula fina de TiO2 y AhO3, concretamente polvo de tamaño de partícula de 20 a 50 pm. Debido al tamaño de partícula de polvo fino, el flujo de gas portador se aumentó hasta 8 slpm, la distancia de pulverización disminuyó hasta 65 mm y la velocidad de flujo de polvo disminuyó hasta 40 g/min en comparación con los parámetros de pulverización de las realizaciones 1 y 2. Por lo demás, los parámetros de pulverización no cambiaron.
El recubrimiento de barrera térmica resultante era gris oscuro/negro. El aspecto fue desigual hasta que tuvo lugar una limpieza final, usando un conducto de aire comprimido para retirar partículas de polvo sin fundir débilmente unidas.
Claims (14)
- REIVINDICACIONESi . Artículo con una barrera térmica que comprende un recubrimiento de material cerámico que comprende del 20 al 100% en peso de dióxido de titanio, en el que la barrera térmica es un recubrimiento pulverizado por plasma que tiene un aspecto gris oscuro o negro, siendo el grosor del recubrimiento de al menos 100 micrómetros, estando el artículo compuesto por metal y siendo un tubo de escape de automóvil o un tubo de escape de motocicleta.
- 2. Artículo según la reivindicación 1, en el que el recubrimiento comprende sólo un recubrimiento de dióxido de titanio.
- 3. Artículo según la reivindicación 1, en el que el recubrimiento tiene más de aproximadamente el 30% en peso de dióxido de titanio, y preferiblemente tiene al menos el 50% en peso de dióxido de titanio.
- 4. Artículo según la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que el recubrimiento comprende dióxido de titanio y al menos otro material cerámico, y el otro material cerámico comprende preferiblemente al menos uno de dióxido de circonio, dióxido de cromo, dióxido de aluminio y circonato de magnesio.
- 5. Artículo según cualquier reivindicación anterior, en el que la barrera térmica es un recubrimiento pulverizado por plasma.
- 6. Artículo según cualquier reivindicación anterior, en el que la barrera térmica tiene diferentes grosores en diferentes lugares para proporcionar diferentes grados de protección contra el calor.
- 7. Artículo según cualquier reivindicación anterior, en el que la barrera térmica no es de más de 500 micrómetros de grosor.
- 8. Artículo según cualquier reivindicación anterior, en el que el artículo está compuesto por acero.
- 9. Artículo según cualquier reivindicación anterior, en el que el artículo incluye al menos una capa intermedia por debajo de la barrera térmica, siendo preferiblemente la o una capa intermedia un metal o una aleación de metal, y siendo de o conteniendo más preferiblemente la capa intermedia níquel.
- 10. Método de aplicación de una barrera térmica a una superficie de un artículo de metal, siendo el artículo un tubo de escape de automóvil o un tubo de escape de motocicleta, comprendiendo el método la pulverización por plasma sobre la superficie de un material cerámico que comprende del 20 al 100% en peso de dióxido de titanio hasta un grosor de al menos 100 micrómetros de modo que el recubrimiento pulverizado tenga un aspecto gris oscuro o negro.
- 11. Método según la reivindicación 10, en el que el material cerámico comprende dióxido de titanio y al menos otro material cerámico, preferiblemente al menos uno de dióxido de circonio, dióxido de cromo, óxido de aluminio y circonato de magnesio.
- 12. Método según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en el que la pulverización por plasma es pulverización por plasma de nitrógeno.
- 13. Método según la reivindicación 10, la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en el que el método comprende además aplicar un recubrimiento de unión a la superficie antes de aplicar la barrera térmica, siendo el recubrimiento de unión preferiblemente un metal o una aleación de metal, y siendo de o conteniendo más preferiblemente níquel.
- 14. Uso de dióxido de titanio pulverizado por plasma solo o en combinación con otro material cerámico con un contenido de dióxido de titanio de al menos el 20% en peso en un recubrimiento de al menos 100 micrómetros de grosor como barrera térmica sobre un artículo compuesto por metal que es un tubo de escape de automóvil o un tubo de escape de motocicleta, pulverizándose el recubrimiento por plasma para conseguir un aspecto gris oscuro o negro.
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