Pulverización en frío

La pulverización en frío dinámica de gases o pulverización en frío ( CS ) es un método de deposición de recubrimientos. Polvos sólidos (de 1 a 50 micrómetros de diámetro) se aceleran en un chorro de gas supersónico a velocidades de hasta aprox. 1200 m/s . Durante el impacto con el sustrato, las partículas sufren deformación plástica y se adhieren a la superficie. Para lograr un espesor uniforme, la boquilla de pulverización se desplaza a lo largo del sustrato. Se pueden depositar metales , polímeros , cerámicas , materiales compuestos y polvos nanocristalinos mediante pulverización en frío. ^{[ 2 ] [ 3 ]} La energía cinética de las partículas, suministrada por la expansión del gas, se convierte en energía de deformación plástica durante la unión. A diferencia de las técnicas de pulverización térmica , por ejemplo, pulverización de plasma , pulverización por arco, pulverización a la llama o HVOF (oxígeno-combustible de alta velocidad ), los polvos no se funden durante el proceso de pulverización.

La pulverización en frío fue desarrollada por científicos rusos en la década de 1990. Mientras experimentaban con la erosión por partículas de un objetivo expuesto a un flujo bifásico de alta velocidad de polvo fino en un túnel de viento, los científicos observaron la formación rápida y accidental de recubrimientos. Esta técnica de recubrimiento se comercializó en la década de 1990. ^{[ 1 ]}

Existen dos tipos de pulverización en frío (PSC). La pulverización en frío a alta presión (PFC) utiliza nitrógeno o helio como gas de trabajo a presiones superiores a 1,5  MPa, ^{[ 4 ]} con un caudal superior a 2 ^m³  / min y una potencia de calentamiento de 18 kW. Se emplea para pulverizar polvos metálicos puros con tamaños de 5 a 50 μm. En la pulverización en frío a baja presión (PFC), el gas de trabajo es un gas comprimido con una presión de 0,5 a 1,0 MPa, un caudal de 0,5 a ² m³ /min y una potencia de calentamiento de 3 a 5 kW. Se emplea para pulverizar una mezcla mecánica de polvos metálicos y cerámicos. La inclusión de un componente cerámico en la mezcla proporciona recubrimientos de alta calidad con un consumo energético relativamente bajo. ^{[ 5 ]}     

La teoría de unión más extendida en la proyección en frío se atribuye a la " inestabilidad de cizallamiento adiabático ", que se produce en la interfaz partícula-sustrato a una velocidad determinada o superior, denominada velocidad crítica. Cuando una partícula esférica que viaja a velocidad crítica impacta contra un sustrato, un fuerte campo de presión se propaga esféricamente hacia la partícula y el sustrato desde el punto de contacto. Como resultado de este campo de presión, se genera una carga de cizallamiento que acelera el material lateralmente y provoca una deformación por cizallamiento localizada. La carga de cizallamiento en condiciones críticas conduce a la inestabilidad de cizallamiento adiabático, donde el ablandamiento térmico predomina localmente sobre la deformación por trabajo y el endurecimiento por velocidad de deformación, lo que provoca un salto discontinuo en la deformación y la temperatura, y la ruptura de las tensiones de fluencia. Este fenómeno de inestabilidad de cizallamiento adiabático da lugar a un flujo viscoso del material hacia el exterior, con temperaturas cercanas a la temperatura de fusión del material. Este chorro de material también es un fenómeno conocido en la soldadura explosiva de materiales. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Existen varios factores que pueden afectar la calidad de los recubrimientos aplicados por pulverización en frío y la eficiencia de la deposición. Los principales factores influyentes son:

• Tipo de gas, por ejemplo aire, nitrógeno, helio
• Presión de gas
• Temperatura del gas (la temperatura máxima en la pulverización en frío es de aproximadamente 900  °C ^{[ 1 ]} )
• Tamaño de partícula
• Propiedades del material de partida, por ejemplo, densidad, resistencia, temperatura de fusión.
• Tipo de boquilla
• Sustrato
• Cinética de deposición (velocidad transversal del cañón, velocidad de escaneo, número de pasadas...)
• Distancia de separación, es decir, la distancia entre la boquilla de pulverización en frío y el sustrato. ^{[ 9 ]}

Los parámetros de pulverización en frío se seleccionan en función de las características de recubrimiento deseadas y consideraciones económicas. Esto se puede lograr considerando las correlaciones entre los parámetros del proceso y las propiedades finales del recubrimiento. ^{[ 10 ]} También existen paquetes de software disponibles para este fin.

CS presenta numerosas ventajas que hacen que la tecnología sea potencialmente muy competitiva. Al ser un proceso en frío, se conservan las propiedades físicas y químicas iniciales de las partículas y el calentamiento del sustrato es mínimo, lo que da como resultado una microestructura de recubrimientos trabajada en frío donde no se produce fusión ni solidificación. Se ha observado recristalización dinámica con granos refinados entre la región de unión de partículas. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Además, la tecnología permite pulverizar materiales termosensibles y combinaciones de materiales muy disímiles, debido a que el mecanismo de adhesión es puramente mecánico.

Otras ventajas son: ^{[ 13 ]}

• Alta conductividad térmica y eléctrica de los recubrimientos;
• Alta densidad y dureza de los recubrimientos;
• Alta homogeneidad de los recubrimientos;
• Baja contracción;
• Posibilidad de pulverizar partículas de tamaño micrométrico (5–10 μm);
• Posibilidad de pulverizar nanomateriales y materiales amorfos;
• Distancia de separación corta;
• Preparación mínima de la superficie;
• Bajo consumo de energía;
• Posibilidad de obtener formas complejas y superficies internas;
• Alta productividad gracias a la alta velocidad de alimentación de potencia;
• Altas tasas y eficiencias de deposición;
• Posibilidad de recoger y reutilizar el 100% de las partículas;
• No se generan residuos tóxicos;
• Sin combustión;
• Mayor seguridad operativa gracias a la ausencia de chorros de gas a alta temperatura y radiación.

El chorro obtenido es un haz de partículas de alta densidad debido al pequeño tamaño de la boquilla (10–15  mm² ⁾ y a la corta distancia de separación (25  mm). Esto da como resultado un alto enfoque del chorro y un control preciso sobre el área de deposición. Finalmente, la inducción de esfuerzos de compresión permite obtener recubrimientos densos, uniformes y ultragruesos (20 μm – 50  mm).

Por otro lado, se pueden encontrar algunas dificultades. Por ejemplo, es difícil pulverizar materiales duros y quebradizos porque, en este caso, la adhesión mecánica mediante deformación plástica podría no ser tan efectiva como lo es para partículas dúctiles. Otros problemas podrían incluir: ^{[ 13 ]}

• Ductilidad prácticamente nula en estado de pulverización;
• Necesidad de un sustrato dúctil;
• Dificultad para procesar cerámicas puras y algunas aleaciones como aleaciones de endurecimiento por deformación;
• alto costo del helio;
• Obstrucción y erosión de la boquilla.