Sistemas de revestimiento láser de aleaciones de titanio: Guía definitiva | MachineMFG

Sistemas de revestimiento láser de aleaciones de titanio: Guía definitiva

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1. Visión general

Los materiales para el revestimiento por láser de la superficie de las aleaciones de titanio incluyen principalmente: materiales de aleación fusibles, materiales compuestos y materiales cerámicos.

Entre ellos, los materiales de aleación fusible consisten principalmente en aleaciones con base de hierro, aleaciones con base de níquel y aleaciones con base de cobalto.

La característica clave de estas aleaciones es la inclusión de elementos de boro y silicio, que presentan fuertes acciones desoxidantes y de autofusión.

Sistemas de revestimiento láser de aleaciones de titanio Guía definitiva

En revestimiento láserEl boro y el silicio se oxidan para formar óxidos, creando una fina película en la superficie de la capa de revestimiento.

Esta película no sólo evita la oxidación excesiva de los elementos de la aleación, sino que también forma escorias de borosilicato con los óxidos de estos elementos, reduciendo así el contenido de inclusión y los niveles de oxígeno en la capa de revestimiento.

Este proceso da como resultado una capa de revestimiento láser con bajo contenido en óxido y pocos poros. El boro y el silicio también pueden reducir el punto de fusión de la aleación, mejorando la humectabilidad de la masa fundida hacia el metal base, lo que afecta positivamente a la fluidez y la tensión superficial de la aleación.

La dureza de la aleación autofundente aumenta con el incremento del contenido de boro y silicio en la aleación. Esto se debe al aumento de la cantidad de boruros y carburos extremadamente duros formados por elementos de boro y silicio con níquel, cromo y otros elementos de la aleación.

1. Polvo de aleación a base de níquel

El polvo de aleación a base de níquel posee excelentes propiedades de humectación, resistencia a la corrosión y autolubricación a alta temperatura.

Se utiliza principalmente en componentes que requieren resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión por calor y resistencia a la fatiga por calor. Los requisitos potencia del láser es ligeramente superior a la del revestimiento de aleación a base de hierro.

El principio de aleación de las aleaciones a base de níquel implica el refuerzo austenítico por solución sólida con elementos como Fe, Cr, Co, Mo, W, el refuerzo por precipitación de compuestos intermetálicos con Al, Ti, y el refuerzo del límite de grano con B, Zr, Co.

La selección de elementos en el polvo de aleación autofusible a base de níquel se basa en estos principios, mientras que la cantidad de elementos de aleación añadido depende de la conformabilidad de la aleación y del proceso de revestimiento por láser.

En la actualidad, las aleaciones autofusionables a base de níquel incluyen principalmente Ni-B-Si y Ni-Cr-B-Si. La primera es menos dura pero más dúctil y fácil de procesar, mientras que la segunda se forma añadiendo el Cr adecuado a la aleación Ni-B-Si. El Cr, soluble en Ni, forma una solución sólida de níquel-cromo que aumenta la resistencia de la capa de revestimiento y mejora su resistencia a la oxidación y la corrosión.

El Cr también puede formar boruros y carburos con el B y el C, aumentando la dureza y la resistencia al desgaste de la capa de revestimiento.

Aumentar el contenido de C, B y Si en la aleación Ni-Cr-B-Si puede elevar la dureza de la capa de revestimiento de 25 HRC a unos 60 HRC, pero a costa de reducir la ductilidad.

El Ni60 y el Ni45 son los más utilizados en este tipo de aleaciones. Además, aumentando el contenido de Ni se puede reducir significativamente la tasa de fisuración.

Esto se debe a que el Ni es un potente austenita (γ) elemento de expansión de fase. El aumento del contenido de Ni en la aleación mejora la tenacidad, aumentando así la tenacidad plástica de la capa de revestimiento.

El aumento del contenido de Ni también reduce el coeficiente de expansión térmica de la capa de revestimiento, reduciendo así la tensión de tracción residual de la capa de revestimiento y reduciendo significativamente la generación de grietas y defectos.

Sin embargo, más Ni no es necesariamente mejor, ya que un contenido demasiado alto de Ni puede dañar la dureza de la capa de revestimiento, impidiendo que alcance las propiedades requeridas.

2. Polvo de aleación a base de cobalto

El polvo de aleación con base de cobalto proporciona un excelente rendimiento a altas temperaturas y resistencia al desgaste y la corrosión cuando se recubre con láser la superficie de aleaciones de titanio.

Actualmente, el polvo de aleación autofusible a base de cobalto utilizado para el revestimiento láser se desarrolla a partir de aleaciones Stellite, con elementos de aleación primarios de cromo (Cr), wolframio (W), hierro (Fe), níquel (Ni) y carbono (C).

Además, se añaden boro (B) y silicio (Si) para mejorar la humectabilidad del polvo de aleación y formar una aleación autofusible.

Sin embargo, un contenido excesivo de boro puede aumentar la tendencia de la aleación a agrietarse. Las aleaciones basadas en cobalto presentan una estabilidad térmica superior, con una evaporación y sublimación mínimas o una degradación apreciable durante el revestimiento.

Además, el polvo de aleación a base de cobalto presenta una excelente humectabilidad al fundirse, extendiéndose uniformemente sobre la superficie del aleación de titanio.

De este modo se obtiene una capa de revestimiento densa, lisa y plana, que mejora la resistencia de la unión entre la capa de revestimiento y el material base.

Los principales componentes del polvo de aleación con base de cobalto son el cobalto (Co), el cromo (Cr) y el wolframio (W), que le confieren un excelente rendimiento a altas temperaturas y amplias propiedades mecánicas.

El cobalto y el cromo forman soluciones sólidas estables, y debido a la baja contenido en carbonoAdemás, varios carburos como el CrC metaestable, el MC y el WC, así como boruros como el CrB, se dispersan por la base, lo que da lugar a una aleación con mayor dureza al rojo, resistencia al desgaste a alta temperatura, resistencia a la corrosión y resistencia a la oxidación.

3. Polvo de aleación a base de hierro

El revestimiento por láser de polvo de aleación con base de hierro sobre la superficie de aleaciones de titanio es adecuado para piezas propensas a la deformación y que requieren una resistencia al desgaste localizada. Su mayor ventaja es su bajo coste y su buena resistencia al desgaste.

Sin embargo, tiene un punto de fusión elevado, poca autofusibilidad, escasa resistencia a la oxidación, poca fluidez y una capa de revestimiento que suele contener una cantidad significativa de porosidad e inclusiones de escoria, lo que limita sus aplicaciones.

Actualmente, el diseño de aleación de la estructura de revestimiento de aleación basada en Fe consiste principalmente en Fe-C-X (donde X representa Cr, W, Mo, B, etc.), y la estructura de la capa de revestimiento está compuesta principalmente de fases metaestables, siendo los mecanismos de refuerzo martensita refuerzo y refuerzo de carburo.

Características de los sistemas de aleación en polvo autofundente

Polvo de aleación autofusibleAutofusibleVentajasDesventajas
A base de hierroPobreRentableEscasa resistencia a la oxidación.
A base de cobaltoBastante buenoPresenta una resistencia superior a altas temperaturas, una excelente resistencia al choque térmico y una magnífica resistencia al desgaste y la corrosión.Coste relativamente elevado.
A base de níquelBienPosee buena tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al calor, resistencia a la oxidación y alta resistencia a la corrosión.Rendimiento inferior a altas temperaturas.

4. Polvos compuestos

En condiciones severas de deslizamiento, desgaste por impacto y desgaste abrasivo en superficies de aleaciones de titanio, las aleaciones autofusibles simples a base de Ni, Co y Fe ya no pueden cumplir los requisitos de uso.

En este punto, pueden añadirse diversos carburos de alto punto de fusión, nitruros, boruros y partículas cerámicas de óxido a los polvos de aleación autofusibles antes mencionados para crear revestimientos compuestos metalocerámicos.

Entre ellos, los carburos (como WC, TiC, SiC, etc.) y los óxidos (como ZrO, AlO, etc.) son los más estudiados y utilizados. El comportamiento de los materiales cerámicos en la fusión de aleaciones de titanio incluye: disolución completa, disolución parcial y disolución menor.

El grado de disolución está controlado principalmente por el tipo de cerámica y sustrato, y en segundo lugar por las condiciones del proceso de revestimiento láser.

Durante el proceso de revestimiento por láser, el baño de fusión se mantiene a altas temperaturas durante muy poco tiempo, por lo que las partículas cerámicas no tienen tiempo suficiente para fundirse por completo. La capa de revestimiento está formada por fase γ cúbica centrada en la cara (Fe, Ni, Co), partículas de fase cerámica sin fundir y fases precipitadas (como MC, M C, etc.).

La capa de revestimiento láser incluye mecanismos de refuerzo como el refuerzo de grano fino, el refuerzo por dispersión de partículas duras, el refuerzo por solución sólida y el refuerzo por apilamiento de dislocaciones.

Ejemplos:

1. Mediante el revestimiento por láser in situ de recubrimientos de TiC o de material compuesto de titanio reforzado (TiB+TiC) sobre la superficie de aleaciones de titanio, podemos mejorar la dureza superficial y la resistencia al desgaste de la aleación de titanio, garantizando al mismo tiempo una buena adaptación del material de recubrimiento al sustrato.

2. La superficie de la aleación de titanio se funde con láser y se depositan diferentes proporciones de la aleación binaria Ti-Cr, preparando revestimientos modificados superficialmente que poseen alta dureza y buena compatibilidad con el sustrato.

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