La formación por pulverización , también conocida como fundición por pulverización , deposición por pulverización [1] y compactación in situ , [2] es un método de fundición de componentes metálicos de forma casi neta con microestructuras homogéneas mediante la deposición de gotas pulverizadas semisólidas sobre un sustrato conformado. En la formación por pulverización, una aleación se funde, normalmente en un horno de inducción , luego el metal fundido se vierte lentamente a través de una artesa cónica en una boquilla de cerámica de pequeño calibre. . El metal fundido sale del horno como una fina corriente en caída libre y se rompe en gotitas por una matriz anular de chorros de gas, y estas gotitas luego proceden hacia abajo, aceleradas por los chorros de gas para impactar sobre un sustrato. El proceso está dispuesto de manera que las gotas golpeen el sustrato mientras se encuentran en la condición semisólida, esto proporciona suficiente fracción líquida para "pegar" la fracción sólida. La deposición continúa, formando gradualmente un lingote de metal formado por pulverización sobre el sustrato.
El proceso de formación por atomización con gas atomizado ( GASF ) típicamente tiene una velocidad de flujo de aleación fundida de 1 a 20 kg / min, aunque los sistemas de atomizador doble pueden alcanzar velocidades de flujo de metal de hasta 80 kg / min. Se han producido palanquillas de acero especial de 1 tonelada o más mediante formación por pulverización sobre una base comercial, junto con piezas en bruto de anillos de superaleación de Ni de hasta 500 kg y palanquillas de extrusión de aleación de Al de hasta 400 kg.
Historia
El profesor Singer de la Universidad de Swansea desarrolló por primera vez la idea de la formación de un aerosol atomizado con gas en la década de 1970 en la que un chorro de gas a alta presión incide en una corriente de fusión estable para causar la atomización . Las gotitas resultantes se recogen luego en un objetivo, que se puede manipular dentro del aerosol y usarse para formar un lingote casi denso de forma casi neta. La formación por aspersión ha encontrado aplicaciones en industrias especializadas tales como: revestimiento de acero inoxidable de tubos de incineración ; níquel superaleación discos y anillos para aeroespaciales - motores ; blancos de pulverización catódica de aluminio - titanio , aluminio - neodimio y aluminio - plata ; aleaciones de aluminio y silicio para camisas de cilindros ; y aceros rápidos . La historia de la formación por pulverización de cómo se desarrolló entonces la formación por pulverización es un ejemplo de cómo las contribuciones creativas de muchos investigadores fueron necesarias durante varios años para producir la innovación de un proceso industrial ahora ampliamente utilizado.
Ventajas
La formación por pulverización ofrece ciertas ventajas sobre la metalurgia de lingotes convencional y técnicas más especializadas como la metalurgia de polvos . En primer lugar, es un proceso flexible y se puede utilizar para fabricar una amplia gama de materiales, algunos de los cuales son difíciles de producir por otros métodos, por ejemplo, aleaciones de Al-5% en peso de Li o Al-SiC, Al-Al 2 O 3 de matriz metálica. compuestos (MMC). La atomización de la corriente de masa fundida en gotitas de 10-500 μm de diámetro, algunas de las cuales, dependiendo del diámetro, se enfrían rápidamente al estado sólido y semisólido proporcionan una gran cantidad de nucleantes para la fracción líquida residual del material formado por pulverización en la superficie superior del tocho. La combinación de enfriamiento rápido en la pulverización y la generación de una gran población de nucleantes sólidos en la pulverización impactante conduce a una microestructura fina equiaxial, típicamente en el rango de 10 a 100 μm, con niveles bajos y escalas de corta longitud de partición interna de solutos. Estos aspectos microestructurales ofrecen ventajas en la resistencia del material debido al tamaño de grano fino, la distribución refinada de las fases dispersoide y / o precipitado secundario , así como la tolerancia a los elementos de 'trampa' de impurezas. Esta fina estructura en la condición 'como pulverizada' significa que a menudo se pueden evitar los tratamientos térmicos de homogeneización . Debido a la compleja ruta de solidificación (es decir, la rápida transición de la masa fundida sobrecalentada a la gota sólida, líquida o semisólida, al equilibrio de la temperatura en la parte superior de la palanquilla semisólida y el enfriamiento lento final a completamente sólido) del material formado por aspersión, se extendió la solubilidad de la aleación también se ha informado sobre la formación de fases metaestables y cuasicristalinas.
Uno de los principales atractivos de la formación por pulverización es el beneficio económico potencial que se obtiene al reducir el número de pasos del proceso entre la masa fundida y el producto terminado. El conformado por pulverización se puede utilizar para producir tiras, tubos, anillos, barras / rodillos revestidos y productos de alimentación de extrusión cilíndrica, en cada caso con una microestructura de escala relativamente fina incluso en grandes secciones transversales. Los beneficios de GASF sobre la metalurgia de polvos se derivan del número reducido de pasos del proceso en los que se pueden eliminar los pasos de tamizado, prensado, desgasificación y manipulación del polvo y sus problemas de seguridad y contaminación concomitantes.
Desventajas
Hay dos desventajas principales en el proceso de formación por pulverización por atomización de gas. La desventaja más significativa es el rendimiento del proceso relativamente bajo con pérdidas típicas de ~ 30%. Las pérdidas ocurren debido al exceso de pulverización (las gotas no llegan al tocho emergente), las salpicaduras de material de la superficie del tocho y el material "rebota" en la superficie superior semisólida. Muchos operadores del proceso de formación por pulverización ahora utilizan un sistema de inyección de partículas para reinyectar el polvo de pulverización y, por lo tanto, reciclar el material que de otro modo se perdería, o vender el polvo de pulverización como un producto por derecho propio. La segunda gran desventaja es el control del proceso. Como es esencialmente un proceso de formación libre con muchas variables interdependientes, ha resultado difícil predecir la forma, la porosidad o la velocidad de deposición de una aleación dada. Gran parte del control se basa en la experiencia del operador y las relaciones empíricas. Es en parte la complejidad del proceso y la falta de un control de proceso robusto lo que ha impedido la comercialización generalizada de este proceso. Algunos desarrollos que utilizan el control de retroalimentación han demostrado ser exitosos para mejorar las variaciones en el diámetro de la palanquilla y mejorar el rendimiento en sistemas específicos, pero aún no han encontrado una implementación generalizada.
La porosidad resultante del atrapamiento de gas y la contracción por solidificación es un problema importante en los materiales formados por pulverización. Una palanquilla típica formada por aspersión contendrá 1-2% de porosidad con un tamaño de poro que depende del rango de congelación de la aleación y varios parámetros del proceso. El prensado isostático en caliente (HIPing) o el procesamiento termomecánico pueden curar estos poros si son pequeños (menos de 30 μm). A pesar de estas desventajas, la formación por pulverización sigue siendo un proceso económico para la producción de aleaciones de nicho difíciles de fabricar. La porosidad a gran escala es más difícil de curar de manera eficaz y debe minimizarse mediante un cuidadoso control del proceso. En algunos casos, la porosidad se controla mediante adiciones de aleación que reaccionan con gas disuelto y atrapado para formar una fase sólida, por ejemplo, titanio añadido a palanquillas de cobre para formar nitruro de titanio con gas nitrógeno disuelto y atrapado . La porosidad, incluso después de la consolidación, puede limitar las aplicaciones del material formado por aspersión, por ejemplo, los componentes giratorios de la turbina de gas deben tener porosidad cero debido al efecto perjudicial sobre la fatiga de ciclo alto (HCF).
Comercialización
A pesar de los problemas asociados con el proceso de formación por pulverización, ha habido un interés industrial sostenido en la formación por pulverización durante los últimos 35 años. Sandvik-Osprey (antes Osprey Metals Ltd) de Neath, Gales del Sur, posee las patentes del proceso y ha licenciado la tecnología a una variedad de industrias. Actualmente hay aproximadamente 25 licenciatarios operando en todo el mundo, desde pequeñas plantas de investigación y desarrollo hasta operaciones comerciales a gran escala. Las principales aplicaciones son premateriales para superconductores de Nb 3 Sn de baja temperatura (CuSn), equipos de perforación de petróleo (material de alta resistencia CuMnNi) y para herramientas de conformado (CuAlFe con alto contenido de Al). En todas estas aplicaciones, la investigación se refiere a la conciliación de las desventajas de costos y la complejidad del conformado por pulverización con la demanda de aleaciones de alto rendimiento en aplicaciones específicas.
Derritiendo
El primer trabajo de formación por pulverización se basó en un horno de mantenimiento eléctrico calentado resistivamente. A continuación, la masa fundida pasó a través de una boquilla de Al 2 O 3 de 3 mm de diámetro . Sin embargo, el bajo caudal hizo necesario un alto recalentamiento para evitar la solidificación en la boquilla. Los procedimientos de fusión de próxima generación en aplicaciones de formación por aspersión fueron las unidades de inducción de vertido inferior, que ofrecen muchos beneficios. En este sistema, el crisol de fusión está directamente encima del cabezal del atomizador con una boquilla de cerámica que se alimenta directamente desde el horno al atomizador. Una varilla de tapón atraviesa la masa fundida hasta la parte superior de la boquilla de vertido, la varilla se retira cuando la masa fundida alcanza la temperatura designada para la pulverización, típicamente de 50 a 150 ° C (122 a 302 ° F) por encima del liquidus de la aleación . Alternativamente, se utiliza un tapón de aleación preparado previamente para bloquear la boquilla y, a un sobrecalentamiento especificado, este tapón se funde permitiendo que el contenido del horno se drene a través de la boquilla. Otro problema asociado con los hornos de colada inferior es el cambio en el caudal asociado con la reducción de la cabeza metalo-estática en el crisol. En algunos casos, la introducción de una sobrepresión de gas inerte durante el vertido puede compensar este efecto.
Un enfoque alternativo es el horno de vertido inclinado mediante el cual se inclina un horno de inducción para verter la masa fundida en una artesa cónica que, a su vez, entrega el metal fundido a la boquilla de suministro de masa fundida. El sistema de vertido inclinado proporciona la ventaja de que la fusión está desacoplada del procedimiento de pulverización, de modo que los problemas de fusión y las soluciones correctivas no afecten ni perturben la configuración crítica de la boquilla de distribución de la masa fundida.
En la disposición de fusión más compleja, utilizada solo para la producción de piezas en bruto de forjado de turbinas de superaleación de níquel mediante formación por aspersión, GE ha combinado crisoles de fusión por inducción al vacío , fusión por electroescoria y de solera fría para controlar los niveles de impurezas de las aleaciones y la presencia de inclusiones refractarias en el suministro de metal fundido. La formación por pulverización de metal limpio ( CMSF ) combina el proceso de refinado por electroescoria, la guía de inducción de pared fría y la formación por pulverización atomizada con gas. Este enfoque ha llevado a una reducción en el número de defectos relacionados con la fusión (poros, inclusiones, etc.), un tamaño de grano promedio más fino, la capacidad de producir lingotes más grandes y la capacidad de procesar una gama más amplia de aleaciones.
Atomización
Existen muchas técnicas diferentes para la atomización de metales fundidos, muchas de las cuales se derivan de la industria de la pulvimetalurgia y se han revisado extensamente en otros lugares. Hay dos técnicas principales de atomización utilizadas en la formación por pulverización: atomización centrífuga para la fabricación de anillos de forma casi neta y atomización de gas para la fabricación de palanquillas, tubos y tiras.
Atomización centrífuga
La atomización centrífuga implica verter metal fundido a velocidades de flujo relativamente bajas (0,1 a 2 kg / min) en una placa, plato o disco giratorio, por lo que la velocidad de rotación es suficiente para crear altas fuerzas centrífugas en la periferia y superar la tensión superficial y las fuerzas viscosas. la masa fundida se fragmenta en gotitas. Los diámetros de las gotas producidas por atomización centrífuga dependen principalmente de la velocidad de rotación (hasta 20 000 rpm) y suelen estar en el rango de 20 a 1000 μm con velocidades de enfriamiento del orden de 104 Ks −1 . La atomización centrífuga se realiza generalmente bajo una atmósfera inerte de Ar o N 2 para evitar la oxidación de las gotitas finas o puede operarse al vacío .
Atomización de gas
La corriente de masa fundida sale de la boquilla de suministro de masa fundida hacia la cámara de pulverización. La corriente de masa fundida está protegida contra la desestabilización por el entorno de gas turbulento en la cámara de pulverización mediante chorros de gas primario que operan a una presión de gas inerte intermedia de 2 a 4 bar, el flujo de gas resultante es paralelo a la corriente de masa fundida para estabilizar la corriente de masa fundida. El atomizador secundario utiliza chorros de gas de alta velocidad (250 a 350 ms −1 ) y alta presión (6 a 10 bar) para incidir en la corriente de masa fundida y lograr la atomización. Los chorros atomizadores se disponen normalmente como un anillo o como chorros discretos colocados simétricamente alrededor de la boquilla de suministro de masa fundida, o menos comúnmente, dispuestos como una boquilla lineal para la producción de tiras. Los diámetros de gota típicos siguen una distribución logarítmica normal con diámetros de polvo de hasta ~ 600 μm con un diámetro medio de masa de ~ 150 μm.
La relación de caudal másico de gas de atomización a caudal másico de metal fundido es un parámetro clave para controlar el diámetro de las gotas y, por tanto, la velocidad de enfriamiento, la temperatura de la palanquilla y la densidad de nucleantes de partículas sólidas resultante. La relación gas-metal (GMR) está típicamente en el rango de 1,5 a 5,5, con una disminución del rendimiento y un aumento de las velocidades de enfriamiento en la pulverización con el aumento de GMR. Normalmente, a una GMR baja (1,5), el rendimiento es del 75%, si la GMR se aumenta a 5,0 y todos los demás parámetros permanecen constantes, el rendimiento del proceso se reduce al 60%.
Se han desarrollado atomizadores de barrido que permiten la producción de palanquillas de hasta 600 mm de diámetro, aproximadamente el doble del diámetro posible con un atomizador estático. La cabeza del atomizador oscila mecánicamente de 5 a 10 ° a una frecuencia típica de 25 Hz, para desviar la corriente de masa fundida creando una trayectoria de pulverización que está sincronizada con la velocidad de rotación de la placa colectora para depositar un tocho de lados paralelos. Mediante el uso de accionamientos de atomizador oscilantes programables fue posible mejorar la forma y la reproducibilidad de la forma de los depósitos formados por pulverización. Se ha demostrado que las palanquillas planas de lados paralelos podrían pulverizarse de una manera reproducible si la rotación del sustrato y la frecuencia de oscilación del atomizador estuvieran sincronizadas y optimizadas para aleaciones específicas y caudales de masa fundida. Los sistemas de atomizador doble combinan un atomizador estático y de barrido, lo que permite pulverizar palanquillas de hasta 450 mm de diámetro con beneficios económicos.
El gas de atomización utilizado en la formación por pulverización es generalmente N 2 y puede ser protector o reactivo dependiendo del sistema de aleación, o Ar que es generalmente completamente inerte pero más caro que el N 2 . Se pueden introducir gases reactivos en pequeñas cantidades al gas de atomización para crear aleaciones reforzadas por dispersión, por ejemplo, 0,5-10% de O 2 en N 2 utilizado para generar aleaciones de Al reforzadas por dispersión de óxido (ODS). Las comparaciones de la formación por aspersión a base de N 2 y Ar mostraron que, con todos los demás factores que permanecen constantes, la temperatura superior de la palanquilla fue más baja con N 2 que con Ar, debido a las diferencias en la difusividad térmica de los dos gases atomizadores: Ar tiene una conductividad térmica de 0,0179 W / mK, que es aproximadamente un tercio menos que el N 2 con una conductividad térmica de 0,026 W / mK.
Los mecanismos de ruptura y atomización de la masa fundida se han investigado exhaustivamente, lo que demuestra que la atomización normalmente consta de 3 pasos: (1) ruptura primaria de la corriente de masa fundida; (2) las gotas y los ligamentos fundidos sufren una desintegración secundaria; (3) las partículas se enfrían y solidifican. El análisis teórico del proceso de atomización para predecir el tamaño de las gotas ha dado lugar a modelos que proporcionan solo un acuerdo moderado con los datos experimentales.
Las investigaciones muestran que en todos los casos la atomización con gas de metal fundido produce una amplia gama de diámetros de gotitas, típicamente en el rango de 10 a 600 μm de diámetro, con un diámetro medio de ~ 100 μm. El diámetro de la gota rige el comportamiento dinámico de la gota en vuelo, lo que a su vez determina el tiempo disponible para el enfriamiento en vuelo, que es fundamental para controlar la microestructura de la palanquilla resultante. A una distancia de vuelo de 300 a 400 mm, las predicciones muestran velocidades de gota de 40 a 90 ms -1 para diámetros de gota en el rango de 20 a 150 μm respectivamente, en comparación con velocidades medidas de ~ 100 ms -1 y a distancias de hasta A 180 mm del atomizador, el gas todavía aceleraba las gotas. Las gotitas se enfrían en vuelo predominantemente por convección y radiación, y pueden experimentar un subenfriamiento de hasta 300 ° C (572 ° F) antes de la nucleación. Los modelos y las mediciones experimentales muestran que las gotas pequeñas (<50 μm) se vuelven completamente sólidas muy rápidamente antes de la deposición, las gotas de 50-200 μm serán típicamente semisólidas y las gotas de diámetros> 200 μm serán líquidas en el momento de la deposición. El rango de historiales térmicos y dinámicos de las gotitas da como resultado una superficie superior de la palanquilla de 0,3 a 0,6 de fracción sólida. No todo el material que impacta la superficie se incorpora al tocho: algunas gotas sólidas rebotarán o salpicarán la superficie superior del tocho o serán dirigidas fuera de la región de deposición por el movimiento turbulento del gas en la cámara. La proporción de gotas que impactan en la superficie en comparación con la proporción que se incorpora al tocho se ha denominado eficiencia de adherencia : depende de la adherencia geométrica que es una función del ángulo de pulverización en relación con el sustrato y la eficiencia de adherencia térmica depende de la pulverización y fracción sólida / líquida del tocho.
Microestructura formada por pulverización
Durante la pulverización, es esencial mantener una temperatura de la superficie superior constante y, por lo tanto, mantener las condiciones de estado estacionario si se va a producir una palanquilla con una microestructura consistente. En la superficie de la palanquilla, durante la pulverización se debe mantener un equilibrio de entalpía donde la tasa de entalpía perdida (H out ) de la palanquilla por conducción al gas atomizador y a través del sustrato, la convección y la radiación deben equilibrarse con la tasa de entrada de entalpía ( H in ) de las gotitas del spray. Hay una variedad de factores que se pueden ajustar para mantener estas condiciones: altura de pulverización, presión del gas del atomizador, índice de flujo de la masa fundida, recalentamiento de la masa fundida y configuración del atomizador, siendo esos parámetros los que se ajustan con mayor facilidad. Por lo general, se pueden usar equipos como cámaras de circuito cerrado y pirometría óptica para monitorear el tamaño / posición de la palanquilla y la temperatura de la superficie superior. Si H _ { out} es mucho mayor que H _ { in}, entonces se mantiene una temperatura constante en la superficie superior del tocho. La superficie superior debe estar blanda para promover la adherencia de las gotas entrantes y la fusión parcial de las partículas sólidas. La necesaria fusión parcial de las gotas sólidas explica la ausencia de restos dendríticos de las gotas pre-solidificadas en la microestructura final. Si Hin es insuficiente para causar una refundición significativa, se formará una microestructura en forma de "salpicadura" de gotas en capas, típica de los procesos de pulverización térmica como la pulverización de plasma al vacío (VPS), la pulverización por arco y el oxicombustible a alta velocidad. Se han producido mapas de procesamiento para la pulverización de plasma y la formación por pulverización utilizando un equilibrio de calor de estado estacionario en términos del tiempo entre capas (tiempo entre eventos de deposición) frente a la tasa de deposición promedio por unidad de área. Estos mapas muestran los límites entre la microestructura en bandas no fusionada y una estructura homogénea equiaxial.
La fase final de solidificación ocurre una vez que las gotas han impactado la superficie blanda del tocho y ha tenido lugar el equilibrio térmico entre las gotas y el tocho. En esta etapa, el líquido residual está presente como una red continua que delinea los límites de los granos poligonales, con una fracción líquida típica de 0.3 - 0.5. La velocidad de enfriamiento durante la solidificación de la palanquilla es varios órdenes de magnitud más lenta que la velocidad de enfriamiento en la pulverización, a 1-20 Ks -1 .
Aunque uno de los beneficios de la formación por aspersión es supuestamente la capacidad de producir material a granel con microsegregación a escala fina y poco o ningún trabajo de macrosegregación en aleaciones de Al-Mg-Li-Cu, se demostró que, como consecuencia del líquido interconectado en la palanquilla, había una cantidad significativa de macrosegregación en grandes palanquillas de Al forjado formadas por aspersión. La distribución de Cu, Mg y Li en, por ejemplo, la aleación de Al 8091 mostró una macrosegregación sorprendentemente pronunciada con la variación de Cu (% en peso) en una palanquilla 8091 formada por aspersión, que van desde aproximadamente 1,4 en el centro de la palanquilla hasta 1,92 en la periferia de la palanquilla. . Estos patrones de macrosegregación se explicaron en términos de segregación inversa en la que el líquido rico en soluto del centro de la palanquilla se succiona a través de la red primaria rica en Al para alimentar la contracción de solidificación en la periferia de la palanquilla. Se sugirió que este efecto se ve agravado por los efectos centrífugos de la rotación del tocho.
Según se pulveriza, la porosidad de la palanquilla es típicamente de 1 a 2% con una región de mayor porosidad en la región de templado por salpicadura adyacente al sustrato. La parte superior de la palanquilla a menudo muestra una mayor porosidad porque la parte superior se enfría rápidamente por el gas atomizador que continúa enfriando la palanquilla durante 10 a 60 segundos después de la pulverización. También ha habido pocos avances en la comprensión y cuantificación de la física subyacente que controla la porosidad de la pulverización.
En la mayoría de los casos, la mayor porosidad en la base y la parte superior de la palanquilla se quita el cuero cabelludo y se recicla. La inspección ultrasónica se usa a veces para determinar la profundidad de las regiones de la zona de enfriamiento para evitar desperdicios innecesarios. Dependiendo del sistema de aleación y la aplicación final, el material a granel restante generalmente se procesa hasta lograr una porosidad cercana y se somete a una variedad de tratamientos termomecánicos. Los materiales formados por pulverización rara vez se utilizan en la condición de pulverización y, a menudo, se tratan con HIPing para eliminar la porosidad. En algunos casos, el gas de atomización residual en los poros puede reaccionar con elementos de aleación para formar fases supuestamente beneficiosas, por ejemplo, N 2 que reacciona con titanio en la superaleación de níquel Rene 80 para formar una dispersión de TiN.
Referencias
El texto anterior está tomado sustancialmente de 'Formación por pulverización de aleaciones de Si-Al para aplicaciones de gestión térmica' por el Dr. Al Lambourne, D. Phil Thesis, 2007, Queens College. Este documento se mantiene públicamente en la Biblioteca de la Universidad de Oxford y está disponible como recurso en línea a través de Oxford Research Archives (ORA). Para enlazar con esta tesis siga: [1] .
Notas
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 446.
- ^ Degarmo, Black y Kohser 2003 , p. 355.
Bibliografía
- Degarmo, E. Paul; Black, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9a ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
enlaces externos
- Imágenes de equipos de formación por aspersión
- Descripción del proceso
- Descripción general de la formación por pulverización