Hispanopedia WikiLa formación por pulverización [ 1 ] , también conocida como fundición por pulverización , deposición por pulverización [ 2 ] y compactación in situ [ 3 ], es un método para fundir componentes metálicos con forma casi final y microestructuras homogéneas mediante la deposición de gotas semisólidas pulverizadas sobre un sustrato con forma definida. En la formación por pulverización, se funde una aleación , normalmente en un horno de inducción , y el metal fundido se vierte lentamente a través de una artesa cónica hacia una boquilla cerámica de pequeño diámetro . El metal fundido sale del horno como un chorro fino en caída libre y se fragmenta en gotas mediante una matriz anular de chorros de gas. Estas gotas, aceleradas por los chorros de gas, descienden hasta impactar sobre el sustrato. El proceso está diseñado para que las gotas impacten contra el sustrato en estado semisólido, lo que proporciona la fracción líquida suficiente para "adherir" la fracción sólida. La deposición continúa, formando gradualmente un lingote de metal pulverizado sobre el sustrato.
El proceso de conformado por pulverización con atomización de gas (GASF) suele tener un caudal de aleación fundida de 1 a 20 kg/min, aunque los sistemas de doble atomizador pueden alcanzar caudales de metal de hasta 80 kg/min. Mediante este proceso se han producido comercialmente lingotes de acero especiales de 1 tonelada o más, junto con piezas en bruto de anillos de superaleación de níquel de hasta 500 kg y lingotes de extrusión de aleación de aluminio de hasta 400 kg.
Un proceso de formación por doble pulverización, desarrollado recientemente, puede depositar dos tipos de aleaciones simultáneamente bajo una atmósfera protectora de argón de alta pureza, lo que permite la producción de compuestos laminados in situ. Este método permite la deposición directa capa por capa de diferentes materiales metálicos (capa 1 como material duro y capa 2 como material blando) desde dos chorros opuestos con buena adhesión entre capas sin formación de óxidos internos [ 4 ] .
Historia
El profesor Singer de la Universidad de Swansea desarrolló por primera vez la idea de la formación por pulverización atomizada con gas en la década de 1970, en la que un chorro de gas a alta presión incide sobre una corriente de metal fundido estable para provocar su atomización . Las gotas resultantes se recogen en un objetivo, que puede manipularse dentro del chorro y utilizarse para formar un lingote casi denso con una forma casi final. La formación por pulverización ha encontrado aplicaciones en industrias especializadas como el revestimiento de acero inoxidable de tubos de incineradores ; discos y anillos de superaleación de níquel para motores aeroespaciales ; objetivos de pulverización catódica de aluminio - titanio , aluminio- neodimio y aluminio- plata ; aleaciones de aluminio- silicio para camisas de cilindros ; y aceros de alta velocidad . La historia de 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 tanto sobre la metalurgia de lingotes convencional como sobre técnicas más especializadas como la metalurgia de polvos . En primer lugar, es un proceso flexible y puede utilizarse para fabricar una amplia gama de materiales, algunos de los cuales son difíciles de producir mediante otros métodos, como las aleaciones de litio Al-5% en peso o los compuestos de matriz metálica ( CMM) Al- SiC y Al- Al₂O₃ . La atomización del flujo fundido en gotas de 10-500 μm de diámetro, algunas de las cuales, dependiendo del diámetro, se enfrían rápidamente al estado sólido y semisólido, proporciona un gran número de núcleos para la fracción líquida residual del material formado por pulverización en la superficie superior del lingote. La combinación del enfriamiento rápido en la pulverización y la generación de una gran población de núcleos sólidos en la pulverización impactante da lugar a una microestructura equiaxial fina, típicamente en el rango de 10-100 μm, con bajos niveles y escalas de longitud cortas de partición interna de soluto. Estos aspectos microestructurales ofrecen ventajas en la resistencia del material debido al tamaño de grano fino, la distribución refinada de las fases de precipitados secundarios o dispersoides y la tolerancia a los elementos "extraños" de impurezas. Esta estructura fina en el estado "tal como se aplica por pulverización" permite evitar, a menudo, los tratamientos térmicos de homogeneización . Debido a la compleja ruta de solidificación (es decir, la rápida transición de la fusión sobrecalentada a una gota sólida, líquida o semisólida, el equilibrio de temperatura en la parte superior del lingote semisólido y el enfriamiento lento final hasta solidificarse por completo) del material formado por pulverización, también se ha informado de una mayor solubilidad de los elementos de aleación y la formación de fases metaestables y cuasicristalinas.
Una de las principales ventajas del conformado por pulverización es el potencial beneficio económico que se obtiene al reducir el número de etapas del proceso entre la fusión y el producto final. Este proceso permite producir tiras, tubos, anillos, barras/rollos revestidos y productos de alimentación para extrusión cilíndrica, en todos los casos con una microestructura relativamente fina, incluso en secciones transversales grandes. Las ventajas del conformado por pulverización asistida por gas (GASF) sobre la metalurgia de polvos se derivan de la reducción del número de etapas del proceso, ya que se eliminan el tamizado, el prensado, la desgasificación y la manipulación del polvo, así como los problemas de seguridad y contaminación asociados.
Desventajas
El proceso de conformado por pulverización con atomización de gas presenta dos desventajas principales. La más significativa es el rendimiento relativamente bajo del proceso, con pérdidas típicas de aproximadamente el 30 %. Estas pérdidas se deben a la pulverización excesiva (gotas que no alcanzan el lingote emergente), las salpicaduras de material de la superficie del lingote y el rebote del material en la superficie superior semisólida. Muchos operadores del proceso de conformado por pulverización utilizan ahora un sistema de inyección de partículas para reinyectar el polvo sobrante, reciclando así el material que de otro modo se perdería, o bien venden el polvo sobrante como producto independiente. La segunda desventaja principal radica en el control del proceso. Al tratarse esencialmente de un proceso de conformado libre con muchas variables interdependientes, ha resultado difícil predecir la forma, la porosidad o la tasa de deposición para una aleación determinada. Gran parte del control se basa en la experiencia del operador y en relaciones empíricas. Es en parte la complejidad del proceso y la falta de un control robusto lo que ha impedido la comercialización generalizada de este proceso. Algunos avances que utilizan el control por retroalimentación han demostrado ser eficaces para mejorar las variaciones en el diámetro de las palanquillas y aumentar el rendimiento en sistemas específicos, pero aún no se han implementado de forma generalizada.
La porosidad resultante del atrapamiento de gas y la contracción por solidificación es un problema significativo en los materiales conformados por pulverización. Un lingote típico conformado por pulverización contiene entre un 1 % y un 2 % de porosidad, cuyo tamaño depende del rango de solidificación de la aleación y de diversos parámetros del proceso. El prensado isostático en caliente (HIP) o el procesamiento termomecánico pueden reparar estos poros si son pequeños (menos de 30 μm). A pesar de estas desventajas, el conformado por pulverización sigue siendo un proceso económico para la producción de aleaciones especializadas y difíciles de fabricar. La porosidad a gran escala es más difícil de reparar eficazmente y debe minimizarse mediante un control de proceso riguroso. En algunos casos, la porosidad se controla mediante adiciones de aleación que reaccionan con el gas disuelto y atrapado para formar una fase sólida, como el titanio añadido a lingotes de cobre para formar nitruro de titanio con nitrógeno disuelto y atrapado . La porosidad, incluso después de la consolidación, puede limitar las aplicaciones del material conformado por pulverización; por ejemplo, los componentes rotativos de las turbinas de gas deben tener porosidad cero debido al efecto perjudicial sobre la fatiga de alto ciclo (HCF).
Comercialización
A pesar de los problemas asociados con el proceso de conformado por pulverización, ha habido un interés industrial sostenido en este proceso durante los últimos 35 años. Sandvik-Osprey (antes Osprey Metals Ltd), con sede en Neath, Gales , posee las patentes del proceso y ha licenciado la tecnología a diversas industrias. Actualmente, existen 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 el material previo para superconductores de Nb₃Sn de baja temperatura, equipos de perforación petrolífera (material de alta resistencia CuMnNi) y herramientas de conformado (CuAlFe con alto contenido de Al). En todas estas aplicaciones, la investigación se centra en conciliar las desventajas de costos y la complejidad del conformado por pulverización con la demanda de aleaciones de alto rendimiento en aplicaciones específicas.
Fusión
Los primeros métodos de pulverización se basaban en un horno eléctrico de mantenimiento con calentamiento resistivo . El metal fundido pasaba a través de una boquilla de Al₂O₃ de 3 milímetros de diámetro . Sin embargo, el bajo caudal requería un alto sobrecalentamiento para evitar la solidificación en la boquilla. Los procedimientos de fusión de siguiente generación en aplicaciones de pulverización fueron las unidades de inducción de vertido inferior , que ofrecen muchas ventajas. En este sistema, el crisol de fusión se encuentra directamente encima del cabezal atomizador, con una boquilla cerámica que alimenta directamente desde el horno al atomizador. Una varilla de tope atraviesa el metal fundido hasta la parte superior de la boquilla de vertido; la varilla se retira cuando el metal fundido alcanza la temperatura designada para la pulverización, normalmente de 50 a 150 °C (122 a 302 °F) por encima del liquidus de la aleación . Como alternativa, se utiliza un tapón de aleación prefabricado para bloquear la boquilla, y a un sobrecalentamiento específico , este tapón se funde, permitiendo que el contenido del horno drene a través de la boquilla. Otro problema asociado a los hornos de vertido inferior es la variación del caudal debida a la disminución de la presión metalostática en el crisol. En algunos casos, la introducción de una sobrepresión de gas inerte durante el vertido puede compensar este efecto.
Una alternativa es el horno de vertido basculante, en el que un horno de inducción se inclina para verter el metal fundido en una artesa cónica que, a su vez, lo suministra a la boquilla de descarga. El sistema de vertido basculante ofrece la ventaja de que la fusión se desacopla del proceso de pulverización, de modo que los problemas de fusión y sus soluciones no afectan ni alteran la configuración crítica de la boquilla de descarga.
En el sistema de fusión más complejo, utilizado únicamente para la producción de piezas forjadas de superaleación de níquel para turbinas mediante conformado por pulverización, GE ha combinado la fusión por inducción al vacío , la refundición por electroescoria y crisoles de hogar frío para controlar los niveles de impurezas de la aleación y la presencia de inclusiones refractarias en el suministro de metal fundido. El conformado por pulverización de metal limpio (CMSF) combina el proceso de refinamiento por electroescoria, la guía de inducción de paredes frías y el conformado por pulverización atomizada con gas. Este enfoque ha dado como resultado 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 diversas técnicas para la atomización de metales fundidos, muchas de las cuales provienen de la industria de la metalurgia de polvos y han sido ampliamente analizadas en otras publicaciones. En el conformado por pulverización, se utilizan dos técnicas principales: la atomización centrífuga para la fabricación de anillos con forma casi final y la atomización por gas para la fabricación de lingotes, tubos y tiras.
Atomización centrífuga
La atomización centrífuga consiste en verter metal fundido a caudales relativamente bajos (0,1–2 kg/min) sobre una placa, plato o disco giratorio, donde la velocidad de rotación es suficiente para crear altas fuerzas centrífugas en la periferia y superar la tensión superficial y las fuerzas viscosas , de modo que el fundido se fragmenta en gotitas. Los diámetros de las gotitas producidas por atomización centrífuga dependen principalmente de la velocidad de rotación (hasta 20 000 rpm) y suelen estar en el rango de 20–1000 μm con velocidades de enfriamiento del orden de 10⁴ K/s. La atomización centrífuga generalmente se lleva a cabo bajo una atmósfera inerte de argón o N₂ para evitar la oxidación de las gotitas finas o puede operarse al vacío .
Atomización de gas
El chorro de material fundido sale de la boquilla de suministro hacia la cámara de pulverización. Este chorro se protege de la desestabilización causada por el entorno gaseoso turbulento de la cámara mediante chorros de gas primarios que operan a presiones de gas inerte intermedias de 2 a 4 bar ; el flujo de gas resultante es paralelo al chorro de material fundido para estabilizarlo. El atomizador secundario utiliza chorros de gas de alta velocidad (250 a 350 m/ s ) y alta presión (6 a 10 bar) para impactar el chorro de material fundido y lograr la atomización. Los chorros del atomizador suelen estar dispuestos en forma de anillo o como chorros discretos posicionados simétricamente alrededor de la boquilla de suministro de material fundido, o, con menos frecuencia, dispuestos como una boquilla lineal para la producción de productos en tiras. Los diámetros típicos de las gotas siguen una distribución log-normal, con diámetros de polvo de hasta ~600 μm y un diámetro mediano de masa de ~150 μm.
La relación entre el caudal másico del gas atomizador y el caudal másico del metal fundido es un parámetro clave para controlar el diámetro de las gotas y, por consiguiente, la velocidad de enfriamiento, la temperatura del lingote y la densidad de núcleos de partículas sólidas resultante. La relación gas-metal (RGM) suele estar entre 1,5 y 5,5, observándose una disminución del rendimiento y un aumento de la velocidad de enfriamiento en el chorro a medida que aumenta la RGM. Normalmente, con una RGM baja (1,5), el rendimiento es del 75 %; si la RGM se incrementa a 5,0 manteniendo constantes los demás parámetros, el rendimiento del proceso se reduce al 60 %.
Se han desarrollado atomizadores de escaneo que permiten la producción de lingotes de hasta 600 mm de diámetro, aproximadamente el doble del diámetro posible con un atomizador estático. El cabezal del atomizador oscila mecánicamente entre 5 y 10° a una frecuencia típica de 25 Hz para desviar el chorro de metal fundido, creando una trayectoria de pulverización sincronizada con la velocidad de rotación de la placa colectora para depositar un lingote de lados paralelos. Mediante el uso de accionamientos programables para el atomizador oscilante, fue posible mejorar la forma y la reproducibilidad de la forma de los depósitos formados por pulverización. Se ha demostrado que se pueden pulverizar lingotes de lados paralelos y superficie plana de forma reproducible si la rotación del sustrato y la frecuencia de oscilación del atomizador se sincronizan y optimizan para aleaciones y caudales de metal fundido específicos. Los sistemas de doble atomizador combinan un atomizador estático y uno de escaneo, lo que permite pulverizar lingotes de hasta 450 mm de diámetro con ventajas económicas.
El gas atomizador utilizado en el conformado por pulverización suele ser N₂ y puede ser protector o reactivo según el sistema de aleación, o argón, que generalmente es completamente inerte pero más caro que el N₂ . Se pueden introducir gases reactivos en pequeñas cantidades al gas atomizador para crear aleaciones reforzadas por dispersión; por ejemplo, se utiliza entre un 0,5 y un 10 % de O₂ en N₂ para generar aleaciones de aluminio reforzadas por dispersión de óxidos (ODS). Las comparaciones del conformado por pulverización con N₂ y argón mostraron que, manteniendo constantes todos los demás factores, la temperatura en la parte superior del lingote era menor con N₂ que con argón, debido a las diferencias en la difusividad térmica de los dos gases atomizadores: el argón tiene una conductividad térmica de 0,0179 W/mK, que es aproximadamente un tercio menor que la del N₂, cuya conductividad térmica es de 0,026 W/mK.
Los mecanismos de fragmentación y atomización del material fundido han sido objeto de una extensa investigación, demostrando que la atomización consta típicamente de tres etapas: (1) fragmentación primaria del flujo de material fundido; (2) desintegración secundaria de las gotas y filamentos fundidos; (3) enfriamiento y solidificación de las partículas. El análisis teórico del proceso de atomización para predecir el tamaño de las gotas ha dado como resultado modelos que solo presentan una concordancia moderada con los datos experimentales.
Las investigaciones muestran que, en todos los casos, la atomización de metal fundido con gas produce una amplia gama de diámetros de gotas, 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 crítico para controlar la microestructura resultante del lingote. A una distancia de vuelo de 300 a 400 mm, las predicciones muestran velocidades de gota de 40 a 90 m/s para diámetros de gota en el rango de 20 a 150 μm respectivamente, en comparación con velocidades medidas de ~100 m/s, y a distancias de hasta 180 mm del atomizador, las gotas seguían siendo aceleradas por el gas. Las gotas se enfrían en vuelo principalmente 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 solidifican rápidamente antes de la deposición, las gotas de 50 a 200 μm suelen ser semisólidas y las gotas con diámetros >200 μm son líquidas en el momento de la deposición. El rango de historias dinámicas y térmicas de las gotas da como resultado una superficie superior del lingote con una fracción sólida de 0,3 a 0,6. No todo el material que impacta la superficie se incorpora al lingote: algunas gotas sólidas rebotan o salpican la superficie superior del lingote o son dirigidas fuera de la región de deposición por el movimiento turbulento del gas en la cámara. La proporción de gotas que impactan la superficie en comparación con la proporción que se incorpora al lingote se ha denominado eficiencia de adherencia , que depende de la adherencia geométrica, que es una función del ángulo de pulverización con respecto al sustrato y de la eficiencia de adherencia térmica que depende de la fracción sólida/líquida de la pulverización y del lingote.
Microestructura formada por pulverización
Durante la pulverización, es esencial mantener una temperatura constante en la superficie superior y, por lo tanto, mantener condiciones estables para obtener una pieza con una microestructura uniforme. En la superficie de la pieza, durante la pulverización, debe mantenerse un equilibrio de entalpía donde la tasa de entalpía perdida (H out ) de la pieza por conducción, convección y radiación debe equilibrarse con la tasa de entalpía de entrada (H in ) de las gotas en la pulverización. Existen diversos factores que pueden ajustarse para mantener estas condiciones: la altura de pulverización, la presión del gas atomizador, el caudal de fusión, el sobrecalentamiento de la fusión y la configuración del atomizador son los parámetros más fáciles de ajustar. Normalmente, se pueden utilizar equipos como cámaras y pirometría óptica para monitorizar el tamaño/posición de la pieza y la temperatura de la superficie superior. Si H out es mucho mayor que H in , se mantiene una temperatura estable en la superficie superior de la pieza. La superficie superior debe estar en un estado pastoso para favorecer la adherencia de las gotas entrantes y la refundición parcial de las partículas sólidas. La necesaria refundición parcial de las gotas sólidas explica la ausencia de restos dendríticos de gotas presolidificadas en la microestructura final. Si H in es insuficiente para provocar una refundición significativa, se formará una microestructura de gotas estratificadas en forma de "salpicadura", típica de procesos de pulverización térmica como la pulverización por plasma al vacío (VPS), la pulverización por arco y la pulverización oxiacetilénica de alta velocidad. Se han generado mapas de procesamiento para la pulverización por plasma y la formación por pulverización utilizando un balance térmico en 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 bandeada no fusionada y una estructura homogénea equiaxial.
La fase final de solidificación se produce una vez que las gotas han impactado la superficie blanda del lingote y se ha alcanzado el equilibrio térmico entre las gotas y el lingote. En esta etapa, el líquido residual se presenta como una red continua que delimita los límites de grano poligonales, con una fracción líquida típica de 0,3 a 0,5. La velocidad de enfriamiento durante la solidificación del lingote es varios órdenes de magnitud menor que la velocidad de enfriamiento en el chorro, de 1 a 20 K/s.
Aunque una de las ventajas de la formación por pulverización es supuestamente la capacidad de producir material a granel con microsegregación a pequeña escala y poca o ninguna macrosegregación, los estudios sobre aleaciones de Al-Mg-Li-Cu demostraron que, como consecuencia del líquido interconectado en el lingote, se produjo una macrosegregación significativa en grandes lingotes de Al forjados formados por pulverización. 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 % en peso) en un lingote de 8091 formado por pulverización, que osciló entre aproximadamente 1,4 en el centro del lingote y 1,92 en la periferia del mismo. Estos patrones de macrosegregación se explicaron en términos de segregación inversa, en la que el líquido rico en soluto del centro del lingote es succionado de nuevo a través de la red primaria rica en Al para alimentar la contracción de solidificación en la periferia del lingote. Se sugirió que este efecto se veía exacerbado por los efectos centrífugos de la rotación del lingote.
En el momento de la pulverización, la porosidad del lingote suele ser del 1 al 2 %, con una región de mayor porosidad en la zona de enfriamiento rápido adyacente al sustrato. La parte superior del lingote a menudo presenta una mayor porosidad debido al rápido enfriamiento provocado por el gas atomizador, que continúa enfriando el lingote durante 10 a 60 segundos después de la pulverización. Además, se ha avanzado poco en la comprensión y cuantificación de la física subyacente que controla la porosidad en el momento de la pulverización.
En la mayoría de los casos, la mayor porosidad en la base y la parte superior del lingote se recorta y recicla. A veces se utiliza la inspección ultrasónica 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 para cerrar la porosidad y se somete a una serie de tratamientos termomecánicos. Los materiales formados por pulverización rara vez se utilizan en el estado tal como se pulverizan y a menudo se tratan mediante HIP para eliminar la porosidad. En algunos casos, el gas atomizador residual en los poros puede reaccionar con los elementos de aleación para formar fases supuestamente beneficiosas, como N 2 que reacciona con el titanio en la superaleación de níquel Rene 80 para formar una dispersión de TiN .
Referencias
El texto anterior se basa en gran medida en la tesis doctoral del Dr. Al Lambourne, titulada «Spray formation of Si-Al alloys for thermal management applications» (Formación por pulverización de aleaciones de Si-Al para aplicaciones de gestión térmica), publicada en 2007 en el Queens College . Este documento se encuentra disponible públicamente en la Biblioteca de la Universidad de Oxford y como recurso en línea a través de Oxford Research Archives (ORA). Para acceder a esta tesis, siga el siguiente enlace:.
Notas
- ↑ Grant PS . . "Formación por pulverización". Prog. Mater. Sci . 39 (1995): 397.
- ↑ Degarmo, Black y Kohser 2003 , pág. 446 .
- ↑ Degarmo, Black y Kohser 2003 , pág. 355 .
- ↑ Louzguine-Luzgin, Dmitri V.; Watanabe, Anri; Semin, Victor O. (2022-12-01). "Máquina de doble pulverización y sus aplicaciones a la producción de materiales de metales ligeros en capas" . Journal of Manufacturing Processes . 84 : 727–733 . doi : 10.1016/j.jmapro.2022.10.022 . ISSN 1526-6125 .
Bibliografía
- Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9.ª ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
Enlaces externos
- Imágenes de equipos de formación por pulverización
- Descripción del proceso
- Descripción general del proceso de pulverización
- Fundición
- Metalurgia