La preparación de recubrimientos cerámicos sobre sustratos metálicos puede combinar orgánicamente las características de los materiales cerámicos con las de los materiales metálicos para obtener estructuras y productos de materiales compuestos, lo que se está convirtiendo en una rama importante del campo de alta tecnología de los materiales y productos compuestos contemporáneos. Debido a la flexibilidad del proceso y a la amplia gama de materiales pulverizables, la tecnología de proyección térmica se ha utilizado ampliamente en cada vez más campos, como el aeroespacial, petroquímico, electrónico y eléctrico, automotriz, médico, marítimo, minero, etc.
La tecnología de proyección térmica es un método que utiliza una fuente de calor para calentar el material de proyección solo hasta un estado de fusión o semi-fusión, y rociarlo y depositarlo sobre el sustrato pretratado a una cierta velocidad para formar un recubrimiento, con el propósito de dotar a la superficie del sustrato de funciones especiales.
Aplicación de recubrimientos cerámicos por proyección térmica
La cerámica es un compuesto cristalino o amorfo compuesto por elementos metálicos y elementos no metálicos. Junto con los materiales metálicos y los materiales poliméricos de alto peso molecular, constituye los tres pilares de los materiales de ingeniería sólidos. Los materiales modernos han clasificado a los metales cerámicos y otros materiales inorgánicos no metálicos dentro de la categoría de cerámicas, convirtiéndola en una gran familia de materiales con muchas variedades y funciones. En términos generales, cualquier material que pueda fundirse o volverse plástico después del calentamiento puede utilizarse como material de recubrimiento para la proyección térmica. Además de los materiales metálicos, la cerámica también puede utilizarse para recubrimientos anticorrosivos por proyección térmica. Los materiales cerámicos comúnmente utilizados para la proyección térmica son principalmente materiales cerámicos de óxido como Al2O3, Cr2O3 y ZrO2. Las cerámicas sin óxidos, como los carburos, suelen prepararse como materiales compuestos de cerámica sobre base metálica utilizando aleaciones metálicas como aglutinantes. Dado que los nitruros son muy frágiles y tienen poca resistencia a la oxidación, rara vez se utilizan.
Los recubrimientos cerámicos por proyección pueden dividirse en varias categorías según sus áreas de aplicación: recubrimientos cerámicos resistentes al desgaste, recubrimientos cerámicos resistentes a la corrosión, recubrimientos cerámicos de barrera térmica, recubrimientos biocerámicos y recubrimientos cerámicos piezoeléctricos.
1. Recubrimientos resistentes al desgaste
Las estadísticas muestran que las pérdidas causadas por el desgaste y la corrosión representan entre el 3% y el 5% del PIB de los países desarrollados, mientras que en los países en desarrollo esta cifra alcanza el 10%, lo que provoca que el rendimiento de las piezas disminuya y finalmente fallen durante el procesamiento y la producción. La tecnología de proyección térmica se ha utilizado siempre como el método más importante de protección eficaz contra el desgaste y la corrosión. Las pérdidas de energía y material causadas por la fricción y el desgaste se derivan todas de la superficie del material. Por lo tanto, diversas tecnologías de ingeniería de superficies se han convertido en un método importante para mejorar la reducción de la fricción y la resistencia al desgaste de los materiales de los componentes. La tecnología de proyección térmica es una de las tecnologías de ingeniería de superficies más utilizadas. En la actualidad, los recubrimientos preparados mediante tecnología de proyección térmica se han utilizado ampliamente en equipos mecánicos. La resistencia al desgaste de los recubrimientos por proyección térmica depende principalmente de la composición del recubrimiento, la composición de la fase, el tamaño de las partículas y el contenido, y también está relacionada con factores como la fuerza de adhesión del recubrimiento, la dureza, la porosidad y el tamaño de las partículas del recubrimiento. Los recubrimientos con alta fuerza de adhesión, alta dureza y baja porosidad tienen mejor resistencia a la erosión y al desgaste. Actualmente, los recubrimientos resistentes al desgaste de uso común incluyen: capa de Al2O3, recubrimiento de Cr2O3 y recubrimiento de WC-Co.
Solo mediante la selección de materiales de recubrimiento adecuados y los procesos de proyección térmica correspondientes se pueden preparar recubrimientos antifricción y antidesgaste que cumplan con las condiciones de trabajo. Sobre la base del rápido desarrollo de la industria y la tecnología, las condiciones de trabajo de los equipos mecánicos son cada vez más exigentes, y es necesario desarrollar recubrimientos antifricción y antidesgaste con un mejor rendimiento. Por un lado, partiendo de los componentes del material de recubrimiento, se puede diseñar un nuevo sistema de materiales con alta resistencia, dureza o función autolubricante, como añadir una fase lubricante con efecto autolubricante (como grafito, disulfuro de molibdeno, materiales poliméricos, etc.) a un recubrimiento cerámico duro o a un recubrimiento metal-cerámico para mejorar el rendimiento de reducción de la fricción del recubrimiento. En la actualidad, la mayoría de los estudios solo proponen añadir una fase lubricante para mejorar la reducción de la fricción y la resistencia al desgaste del recubrimiento, y no han explorado en profundidad la proporción óptima de materia prima y otras condiciones. Por otro lado, los parámetros del proceso son uno de los factores importantes que afectan la calidad de los recubrimientos por proyección térmica. Partiendo de la optimización del proceso de proyección térmica, se pueden estudiar los parámetros de proceso óptimos de recubrimientos de diferentes sistemas para sentar las bases de trabajos de investigación posteriores.
2. Recubrimiento cerámico resistente a la corrosión
El acero utilizado en entornos hostiles (como entornos de niebla salina marina, etc.) es propenso a la corrosión, el desgaste y la pérdida de precisión de los componentes. El proceso tradicional de tratamiento de superficies consiste principalmente en la galvanoplastia de cromo duro, es decir, el cromato hexavalente se deposita en el cátodo para formar un recubrimiento resistente al desgaste y a la corrosión con alta dureza, que se caracteriza por un proceso simple y bajo costo. Sin embargo, el proceso de cromado electrolítico causará una grave contaminación ambiental y está restringido en muchos campos industriales. Además, durante el proceso de cromado electrolítico, se producirá fragilización por hidrógeno del sustrato, lo que reducirá significativamente las propiedades mecánicas del sustrato. Por lo tanto, es urgente encontrar un proceso alternativo eficaz. Los recubrimientos por proyección térmica han comenzado a utilizarse en el campo de la protección contra la corrosión debido a su alta eficiencia, protección ambiental y buena estabilidad química. Los materiales para recubrimientos anticorrosivos se dividen principalmente en aluminio, zinc y sus materiales de aleación, materiales de aleación a base de níquel, materiales de acero inoxidable y materiales cerámicos compuestos.
3. Recubrimientos cerámicos de barrera térmica
Los recubrimientos de barrera térmica (TBC, por sus siglas en inglés) se utilizan a menudo en la superficie de los álabes de turbinas de motores de aeronaves para separar los componentes de alta temperatura del motor a reacción de los gases a alta temperatura para mejorar las condiciones de servicio de los componentes de alta temperatura. Por un lado, puede aumentar la vida útil de los álabes de la turbina y, por otro lado, puede ahorrar combustible. Para que el recubrimiento cerámico de barrera térmica y el sustrato metálico tengan un buen rendimiento de aislamiento térmico, el recubrimiento cerámico de barrera térmica debe tener las siguientes propiedades:
① Baja conductividad térmica;
② El coeficiente de expansión térmica coincide con el sustrato metálico;
③ Mantener una buena estabilidad de fase a alta temperatura. Los materiales cerámicos a base de ZrO2 de baja conductividad térmica suelen seleccionarse como materiales de la capa de trabajo de los recubrimientos de barrera térmica. Las principales tecnologías de preparación de recubrimientos cerámicos de barrera térmica incluyen la proyección por plasma, la deposición física de vapor por haz de electrones, el revestimiento láser, la proyección por llama a alta velocidad y la proyección por explosión. Los dos métodos de preparación más utilizados son la proyección por plasma (PS) y la deposición física de vapor por haz de electrones (EB-PVD). Las características organizativas de los recubrimientos por proyección de plasma son una gran cantidad de poros y microfisuras, que pueden aliviar el estrés térmico y mejorar la vida útil a la fatiga térmica del recubrimiento.
4. Recubrimientos biocerámicos
El titanio y sus aleaciones, las aleaciones de cobalto-cromo-molibdeno y el acero inoxidable son todos materiales metálicos de implante óseo comúnmente utilizados en la práctica clínica. Los materiales metálicos utilizados en la práctica clínica no son biológicamente activos y necesitan ser mejorados en combinación con el tejido óseo. La modificación de la superficie de los implantes metálicos es una forma necesaria de mejorar sus propiedades biológicas. La tecnología de proyección térmica es uno de los métodos de modificación de superficies comúnmente utilizados. Los recubrimientos biomédicos preparados mediante ella incluyen principalmente recubrimientos de óxido metálico (Al2O3, ZrO2, etc.), recubrimientos bioactivos de hidroxiapatita (HA), etc. Los recubrimientos de titanio e hidroxiapatita se han utilizado ampliamente en la práctica clínica. En los últimos años, la investigación sobre recubrimientos biocerámicos de silicato de calcio también ha atraído la atención de las personas.
5. Recubrimientos cerámicos piezoeléctricos
Las cerámicas piezoeléctricas son un tipo de ferroeléctrico con excelente piezoelectricidad. Son materiales cerámicos funcionales de información que convierten las propiedades mecánicas y la energía eléctrica entre sí. Además del efecto piezoeléctrico, las cerámicas piezoeléctricas también tienen propiedades dieléctricas y propiedades ferroeléctricas. Se han utilizado ampliamente en diversos campos, como imágenes médicas, sensores acústicos, transductores acústicos, motores ultrasónicos y dispositivos de visualización. En los últimos años, la preparación de recubrimientos cerámicos piezoeléctricos mediante la aplicación de tecnología de proyección está ganando atención gradualmente.
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