Laser Cladding/Revestimiento láser

Desde la creación del primer láser funcional en la década de 1960, los ingenieros de materiales se han centrado en cómo utilizar los láseres en los procesos para superar diversos problemas. Los láseres se introdujeron en la industria del recubrimiento de superficies a finales de la década de 1970, pero se prefirieron los métodos tradicionales debido al elevado coste del revestimiento láser. ^{[ 1 ]} Sin embargo, con la introducción de fuentes láser más económicas y el descubrimiento de nuevas aplicaciones para los láseres, el revestimiento láser ha comenzado a resurgir.

El revestimiento láser es una forma de recubrimiento superficial que incorpora el uso de láseres y un mecanismo de alimentación para recubrir el sustrato con una capa del material metálico o cerámico deseado. El láser funde el metal y recubre el sustrato en movimiento con una capa fina. El metal de alimentación se funde completamente mientras el láser también transfiere parte de su energía al sustrato. Esto permite la creación de una fuerte unión metalúrgica entre el sustrato y el recubrimiento. El espesor del revestimiento puede variar de 0,05 mm a 2 mm en una sola pasada, lo que permite un gran control de la precisión de la pieza. ^{[ 1 ]}

Existen 3 métodos comunes para la aplicación de metal al sustrato.

1. Polvo precolocado
2. Alimentación por alambre
3. Inyección de polvo

El primer método de suministro de metal es una técnica bastante simple y obvia. Se considera un procedimiento de revestimiento láser de dos etapas. ^{[ 1 ]} La primera etapa consiste en cubrir el sustrato con el polvo previamente depositado: el haz láser transfiere su energía al metal en polvo y lo licúa. La segunda etapa es la transferencia de calor del recubrimiento líquido al sustrato; en este punto, el recubrimiento comienza a solidificarse. La energía del recubrimiento parcialmente solidificado y del láser continúa fundiendo parcialmente el sustrato y proporcionando una unión metalúrgica entre el recubrimiento y la superficie.

Este método ya no es el preferido para la deposición de polvo en el revestimiento láser debido a varios problemas. Es difícil colocar el polvo sobre una forma geométrica compleja y requiere más tiempo que los otros dos métodos de deposición de polvo. ^{[ 2 ]} Otra desventaja del método de polvo precolocado son las múltiples etapas del proceso.

El segundo método de suministro de revestimiento es mediante alimentación de alambre. El alambre se alimenta desde un tambor al láser. Este es el primero de varios problemas que presenta la alimentación de alambre durante el proceso de revestimiento. El tambor de alambre debe ser lo suficientemente grande para evitar problemas con cualquier deformación plástica, además de estar alineado con el movimiento del sustrato para permitir una alimentación suave. ^{[ 3 ]} El mayor problema relacionado con la alimentación de alambre es cómo se comporta el alambre fundido en la punta del mismo. El metal fundido no fluye bien sobre el sustrato, lo que lleva a una alta dilución del revestimiento en el sustrato.

El tercer método del material de recubrimiento retoma el principio del metal en polvo, pero este se inyecta en la trayectoria del haz. El polvo se transporta a través de un tubo mediante un gas inerte que permite que el material de recubrimiento sea proyectado hacia la trayectoria del haz. Las partículas de metal en polvo proyectadas se funden parcialmente por el haz. El láser crea una pequeña zona de fusión en la superficie del sustrato que funde completamente el metal en polvo. ^{[ 4 ]} La zona de fusión creada corresponde a una sola capa de revestimiento. Esto crea una fuerte unión metalúrgica entre el sustrato y el recubrimiento con una tasa de dilución mínima. ^{[ 3 ]}

Existen dos enfoques diferentes para el sistema de suministro de recubrimiento. El primer método se considera en línea y el metal en polvo se suministra al sustrato mediante un sistema coaxial . El láser cuenta con una línea de alimentación de polvo conectada directamente al láser y que se desplaza en la misma trayectoria que este. Esto significa que el movimiento del sustrato es perpendicular a su trayectoria en todas las condiciones. Esto permite que el sistema de alimentación coaxial sea independiente del movimiento del sustrato y produzca recubrimientos superficiales uniformes en todas las direcciones. ^{[ 4 ]}

La alternativa al método en línea es el método fuera de línea o método de inyección lateral. En el método de inyección lateral, la boquilla de alimentación se coloca al lado del láser. Sin embargo, la posición de la boquilla de alimentación lateral afecta la concentración del revestimiento. Si la boquilla de alimentación lateral se coloca en la dirección en la que se mueve el sustrato, el revestimiento se vuelve más eficiente porque el polvo queda atrapado entre el baño de fusión y el sustrato. Esto afectará las propiedades del recubrimiento superficial si la boquilla de alimentación debe cambiar de posición debido a la forma geométrica. ^{[ 1 ]}

Desde el desarrollo del revestimiento láser, el material de recubrimiento se ha introducido mediante uno de los tres métodos mencionados en la sección anterior. Se ha descubierto que, mediante el revestimiento láser, se presentan dos problemas con el recubrimiento superficial: un acabado superficial deficiente y una baja eficiencia de deposición. La eficiencia de deposición es la relación entre el peso del depósito de revestimiento y el peso del revestimiento pulverizado.

Si bien el método de inyección de polvo es el sistema de alimentación más popular en la actualidad, aún existe interés en la alimentación por alambre, ya que presenta varias ventajas. Cuando una muestra se recubre mediante inyección lateral de polvo, la muestra tiene una rugosidad superficial (Ra) de 70 a 90 µm, mientras que una muestra alimentada por alambre tiene una Ra un 30 % menor. ^{[ 5 ]} El sistema de alimentación por alambre también resuelve el problema de la eficiencia de deposición, ya que no se pierden partículas debido a la imposibilidad de quedar atrapadas en el baño de fusión.

El problema del método de alimentación de alambre radica en la imposibilidad de producir un recubrimiento superficial sólido con un rango adecuado de ángulos de alimentación. Si el ángulo de alimentación del alambre no se encuentra dentro del rango ideal de 20 a 60°, el revestimiento es discontinuo y, por lo tanto, no es adecuado para el recubrimiento superficial debido a la presencia de huecos. ^{[ 5 ]} Se realizó un estudio para comparar la eficiencia de una boquilla coaxial independiente con el sistema de alimentación combinado mencionado anteriormente. Cuando el único mecanismo del sistema de alimentación era la inyección coaxial de polvo, la deposición varió desde el 27 % para un láser de 1100 kW hasta el 33 % para un láser de 1500 kW. ^{[ 6 ]}

Mediante la inyección coaxial de polvo en combinación con un sistema de alimentación lateral de alambre, se han logrado mejoras en el proceso de revestimiento láser. Estos dos métodos contribuyen a la misma piscina de fusión para mejorar la eficiencia del sistema. Dado que la piscina de fusión es más grande y continua gracias a la alimentación de alambre, la eficiencia de deposición del pulverizador de polvo aumenta. La eficiencia de deposición del pulverizador de polvo aumentó al 47 %. ^{[ 6 ]}  La eficiencia del láser mejoró en este estudio porque se observó que, al usar un alambre de forma independiente, una gran parte de la energía del láser se reflejaba y se desperdiciaba. Dado que el pulverizador de polvo actuaba como barrera y absorbía una parte del haz antes de que este alcanzara el alambre de alimentación, se redujo la energía que el alambre podía desperdiciar. ^{[ 6 ]}

La calidad general del revestimiento se puede mejorar mediante el método combinado. Cuando se utilizan polvo y alambre de forma conjunta, la porosidad de la muestra mejora en casi un 25 %. Otra mejora del revestimiento es la disminución de la rugosidad del acabado superficial . El acabado superficial se reduce a un valor Ra de 47, mejorando así el acabado superficial y la precisión dimensional de la pieza. La teoría más reciente relaciona la porosidad y el acabado superficial con la eficiencia del láser en el proceso, según la cual una mayor cantidad de energía del láser es absorbida por el baño de fusión para crear un flujo más suave y uniforme. ^{[ 6 ]}

Un problema grave que afecta al revestimiento láser con boquilla coaxial es la suciedad y el ensuciamiento de diversos componentes del láser. El vidrio protector, las lentes dicromáticas y la lente de enfoque pueden ensuciarse debido al retroceso de la pulverización. Esto reduce la eficacia del láser, ya que la energía del haz es absorbida por los componentes del láser en lugar de transferirse al polvo pulverizado. Dado que la energía se absorbe antes de llegar al polvo, el sistema de revestimiento láser comienza a producir un revestimiento de baja calidad y heterogéneo. Ante estos resultados, no tiene sentido utilizar el revestimiento láser en lugar de otras técnicas de revestimiento, como la pulverización térmica o de plasma , ya que el revestimiento láser no produce un revestimiento homogéneo de alta calidad. ^{[ 1 ]}

Se ha desarrollado un nuevo enfoque para el revestimiento láser. La instalación de diversos sensores en el cabezal de revestimiento puede mejorar la eficiencia del sistema, ya que permite la monitorización en tiempo real de las condiciones de cada componente del cabezal. Una variedad de sensores térmicos, fotodiodos y cámaras pueden contribuir a la mejora del acabado superficial y la precisión general de la pieza. ^{[ 7 ]}

El uso de sensores térmicos para monitorizar el aumento de temperatura de las lentes protectoras y dicromáticas permite determinar si se están ensuciando. Cuando una lente se ensucia, una menor cantidad de energía láser llega al polvo pulverizado y, en su lugar, es absorbida por este. La lente protectora puede ensuciarse porque el gas inerte protector del polvo pulverizado no es capaz de eliminar las partículas de la lente durante la producción. ^{[ 7 ]}

Se puede incorporar un dispositivo de carga acoplada (CCD) al proceso de revestimiento, montándolo perpendicularmente al cabezal de revestimiento para permitir una visualización en tiempo real del punto de contacto entre el láser y el sustrato.

Se ha determinado que el baño de fusión se ve muy afectado por la altura del cabezal de revestimiento, ya que el tamaño del haz varía considerablemente con respecto a su punto focal. La distribución de energía de un haz láser puede modelarse como una distribución gaussiana en la ecuación (1), donde se puede determinar la concentración de la energía del haz.

• g es el valor máximo de la distribución gaussiana.
• h es la altura de la boquilla al sustrato.
• ø es el semiángulo del chorro de polvo

A medida que la altura de la boquilla disminuye más allá del punto focal, el tamaño del haz se reduce y crea un baño de fusión que disminuye la eficiencia de deposición del sistema. A medida que la altura del sustrato aumenta más allá del punto focal del láser, el aumento del ancho del haz láser comienza a desperdiciar energía. Debido a la naturaleza de distribución gaussiana del haz, la concentración del haz se reduce a medida que aumenta demasiado. Mediante la incorporación de un CCD para monitorear la diferencia de altura entre la boquilla y el sustrato, es posible monitorear y controlar el tamaño del baño de fusión para crear un entorno ideal para la absorción del polvo pulverizado. ^{[ 7 ]}

Si el sustrato está inclinado, surgen diferentes problemas para el posicionamiento de la boquilla. Como se observa en las ecuaciones (2) y (3), la distribución del recubrimiento varía con el ángulo. El ángulo de la boquilla con respecto al sustrato debe permanecer perpendicular a este para obtener un recubrimiento uniformemente distribuido.

• ø es el ángulo entre el sustrato y el horizonte.

Ahora es posible utilizar CCD para monitorizar tanto el ángulo del sustrato con respecto al horizonte como el ángulo de la boquilla con respecto al sustrato inclinado. Esto permite distribuir la concentración del revestimiento de manera uniforme a lo largo de la superficie inclinada, al tiempo que se monitoriza la altura de la boquilla con respecto al sustrato para asegurar que el ancho del haz láser sea el ideal para producir un baño de fusión adecuado. ^{[ 7 ]}

Sin el uso de la monitorización en tiempo real y los sensores integrados, el acabado superficial de la pieza es rugoso y de baja calidad, y la precisión dimensional puede verse comprometida. Mediante la integración de sensores, el proceso de revestimiento se puede ajustar durante la fabricación para evitar la aparición de defectos en la pieza terminada.