Estado de la investigación de la tecnología de recubrimiento resistente al desgaste por pulverización térmica

1. Estado actual de la investigación de recubrimientos metálicos

Los recubrimientos metálicos por pulverización térmica se encuentran entre los recubrimientos resistentes al desgaste más estudiados y aplicados.

Al utilizar tecnología de pulverización por plasma con aleaciones a base de aluminio para recubrir anillos de pistón, anillos de sincronización y cilindros, los recubrimientos demuestran buena resistencia al desgaste, alta resistencia de unión y excelentes propiedades contra el desgaste adhesivo. En condiciones lubricadas, también exhiben buen rendimiento contra el agarre y el desgaste por deslizamiento. Alambres de acero de alto carbono y alambres de acero inoxidable (tipo Cr13, tipo 18-8, etc.) se utilizan comúnmente como materiales de pulverización resistentes al desgaste y a la corrosión. Estos materiales se caracterizan por su alta resistencia, buena resistencia al desgaste, amplia disponibilidad y bajo costo. Los recubrimientos de NiCr ofrecen buena resistencia al calor, resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste por erosión, lo que los hace adecuados como recubrimientos protectores para tubos de sobrecalentador y recalentador en calderas de plantas de energía. Los métodos de pulverización por llama y por plasma se pueden utilizar para preparar recubrimientos metálicos de NiCr resistentes al desgaste con diferentes microestructuras, aunque estos recubrimientos tienden a tener mayor porosidad y contenido de óxido.

2. Estado Actual de la Investigación sobre Recubrimientos Cerámicos

Los polvos cerámicos para pulverización térmica incluyen óxidos, carburos, boruros, nitruros y siliciuros, que son compuestos cristalinos o amorfos compuestos de elementos metálicos y no metálicos. Los recubrimientos cerámicos son conocidos por sus altos puntos de fusión, alta dureza y excelente resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y estabilidad a altas temperaturas. Sin embargo, el proceso de pulverización de recubrimientos cerámicos es complejo y costoso, y los recubrimientos son propensos a grietas en la superficie y tienen una resistencia a la fatiga térmica inferior en comparación con los recubrimientos metálicos. Además, los recubrimientos cerámicos tienen una baja tenacidad y no son adecuados para aplicaciones que implican cargas de impacto significativas. Los recubrimientos cerámicos comúnmente utilizados incluyen Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 y TiB2, que se preparan típicamente utilizando técnicas de pulverización por plasma, pulverización por llama, HVOF y técnicas de pulverización por detonación.

Ren Jingri et al. estudiaron las características de fricción deslizante y desgaste de recubrimientos de polvo cerámico Al2O3-40%TiO2 y Cr2O3 aplicados por plasma. Encontraron que los recubrimientos de Cr2O3 exhiben una mayor resistencia al desgaste que los recubrimientos de Al2O3-40%TiO2. El mecanismo de desgaste de los recubrimientos de Cr2O3 es principalmente desgaste abrasivo, con características de fractura frágil bajo cargas más altas. En contraste, el mecanismo de desgaste de los recubrimientos de Al2O3-40%TiO2 es principalmente deformación plástica y delaminación. Chen Chuanzhong et al. estudiaron recubrimientos cerámicos compuestos de Al2O3-TiO2-NiCrAlY, señalando que la fusión de TiO2 y Al2O3 forma un cierto grado de solubilidad mutua, reduciendo la porosidad del recubrimiento y mejorando aún más su resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste.

Otros estudios han investigado las características de fricción deslizante y desgaste de recubrimientos metálicos y cerámicos multicapa aplicados por plasma. La secuencia de pulverización implica primero aplicar un recubrimiento de unión de NiCr en el sustrato, seguido de capas de transición con proporciones variables de NiCr-Cr2O3, y finalmente una capa superficial de 100% Cr2O3. Se encontró que una relación adecuada de metal a cerámica en la capa de transición puede mejorar la resistencia al desgaste del recubrimiento. Los principales mecanismos de desgaste incluyen fractura frágil, desgaste abrasivo, adhesión y desgaste oxidativo.

estado actual de la investigación de recubrimientos metal-cerámicos

Los metales y las cerámicas tienen cada uno ventajas únicas y debilidades de rendimiento distintas.

Los recubrimientos metal-cerámicos Cr3C2-NiCr consisten en una fase dura de carburo de cromo refractario y una fase de aleación dúctil de níquel-cromo. Exhiben alta dureza a altas temperaturas, excelente resistencia al desgaste a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación y alta resistencia de unión. Estos recubrimientos se utilizan ampliamente en componentes que operan bajo condiciones de desgaste abrasivo a alta temperatura (530–900°C), desgaste corrosivo y desgaste erosivo, como rodillos de horno en líneas de recocido continuo, rodillos de núcleo en líneas de producción continua de acero y anillos y revestimientos de pistón de cilindro. Los recubrimientos metal-cerámicos a base de TiB2, con su alto punto de fusión, alta dureza, buenas propiedades eléctricas y magnéticas, y alta resistencia a la corrosión, son una alternativa potencial al Cr3C2 para aplicaciones resistentes al desgaste a alta temperatura. Ofrecen una mayor resistencia al desgaste que Al2O3, Cr3C2-NiCr y WC-Co.

Los recubrimientos de metal-cerámica basados en WC se utilizan comúnmente en condiciones de desgaste abrasivo y erosivo por debajo de 450°C. Xu Xiangyang et al. estudiaron el mecanismo de desgaste por fricción de los recubrimientos de WC/18Co aplicados por plasma. Los resultados mostraron que la etapa inicial del desgaste por fricción está dominada por el desgaste adhesivo, con la alta dureza del recubrimiento y sus fuertes propiedades anti-adhesión resultando en un desgaste mínimo. En la etapa estable, la delaminación por fatiga y el agrietamiento frágil se convierten en los principales mecanismos de desgaste, con la fragilidad del recubrimiento y la baja resistencia de unión entre partículas llevando a un aumento del desgaste. Las inclusiones de óxido dentro del recubrimiento son la causa principal de la insuficiente resistencia al desgaste por fricción.

estado Actual de la Investigación sobre Recubrimientos Amorfo

Los materiales amorfos se caracterizan por un desorden a largo alcance y un orden a corto alcance. A menudo exhiben propiedades físicas y químicas superiores en comparación con sus contrapartes cristalinas, incluyendo alta resistencia, tenacidad, dureza, resistencia a la corrosión y propiedades magnéticas suaves, lo que los convierte en una nueva clase prometedora de materiales metálicos. Los recubrimientos de aleación amorfa por pulverización térmica han surgido recientemente como un nuevo área de investigación en la ciencia de materiales. Las técnicas de pulverización térmica, como uno de los métodos para preparar recubrimientos amorfos de gran área, han comenzado a atraer una atención generalizada. Los métodos comunes incluyen la pulverización por plasma, HVOF y la pulverización por detonación.

Xiang Xinghua et al. utilizaron la pulverización por plasma para preparar recubrimientos de aleación amorfa a base de Fe (que contienen Si, B, Cr, Ni, etc.). Los recubrimientos exhibieron una microestructura uniforme, alta densidad, baja porosidad, contenido mínimo de óxido y alta dureza, con microdureza que varía de 530 a 790 HV0.1. Los recubrimientos también mostraron buena adherencia con el sustrato.

Otros estudios han investigado la microestructura y la resistencia al desgaste de recubrimientos de aleación Fe-Cr-B pulverizados por detonación. Los resultados indicaron que los recubrimientos tienen una excelente resistencia al desgaste y a la corrosión. Durante el desgaste por deslizamiento, una película superficial amorfa generada dinámicamente mejoró significativamente la resistencia al desgaste y redujo el coeficiente de fricción.

En resumen, el uso de HVOF, pulverización por plasma, pulverización por arco y pulverización por detonación para aplicar recubrimientos metálicos, cerámicos, metal-cerámicos y amorfos resistentes al desgaste puede mejorar efectivamente la resistencia al desgaste de los materiales de sustrato.