Una guida alla spruzzatura termica

Cos'è la spruzzatura termica?

Le tecniche di spruzzatura termica consistono in una fonte di calore come una fiamma e un materiale di rivestimento, tipicamente sotto forma di polvere o filo, che viene fuso in piccole goccioline e spruzzato sulle superfici ad alta velocità. Questo processo di rivestimento industriale è talvolta indicato anche come la “saldatura a spruzzo.”

I rivestimenti a spruzzatura termica vengono solitamente applicati a substrati metallici e talvolta anche a materiali con base in plastica o ceramica. Migliorano le prestazioni del componente fornendo una migliore resistenza all'usura, resistenza alla corrosione acquosa o alle barriere termiche e sono un'alternativa versatile ed efficace ad altri metodi di rivestimento. Per le applicazioni ingegneristiche, i rivestimenti termici si distinguono per la loro capacità di applicare metalli, cermet, ceramiche e polimeri con porosità minima e forze di adesione molto elevate senza fondere o riscaldare sostanzialmente il substrato.

La qualità del rivestimento viene solitamente valutata calcolando la porosità, il contenuto di ossido, la macro e la micro durezza, la rugosità superficiale e la forza di adesione. All'aumentare della velocità delle particelle, di solito aumenta anche la qualità del rivestimento.

Diversi processi di spruzzatura termica includono:

• Spruzzatura al plasma
• High-Velocity Oxy Fuel (HVOF)
• Spruzzatura di detonazione (D-gun)
• Spruzzatura filo ad arco
• Cold Spray
• Spruzzatura a fiamma
• High-Velocity Oxy Fuel (HVAF)
• Spruzzare e fondere

La spruzzatura termica offre la possibilità di applicare una serie di materiali di rivestimento come ceramica, metalli, leghe, cermet, carburi, polimeri e plastica. I rivestimenti a spruzzatura termica consentono di progettare e costruire un componente utilizzando un substrato e un materiale di rivestimento che non possono essere realizzati da soli. Consentono inoltre l'uso di materiali di base economici in applicazioni impegnative di usura/corrosione acquosa mettendo "in superficie" le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione acquosa richieste. Migliaia di applicazioni praticamente in ogni settore sfruttano i vantaggi economici della tecnologia a spruzzo termico.

Lo stretto controllo dei parametri di spruzzatura consente l'applicazione di una gamma di spessori di rivestimento, da rivestimenti molto sottili e densi a rivestimenti spessi e ad alta coesione applicati a velocità di deposizione e spessori elevati. Mentre la maggior parte dei rivestimenti a spruzzatura termica sono legati meccanicamente al substrato, alcuni rivestimenti possono essere trattati termicamente per ottenere un legame ancora più forte con il substrato. Il rivestimento a spruzzatura termica consente anche l'opzione della spruzzatura di materiale di rivestimento con un punto di fusione più elevato rispetto al substrato. La maggior parte delle parti può essere spruzzata con preriscaldamento o post-trattamento minimo o nullo, inoltre la capacità di controllare l'apporto di calore nel metallo di base è molto ben compresa e, quindi, molto controllabile. Le parti possono essere rivestite "nuove" o ricostruite/ricondizionate a un prezzo che in genere è una frazione del materiale lavorato o del prezzo di sostituzione. L'eccezionale versatilità e l'economicità dei rivestimenti a spruzzatura termica li rendono uno strumento interessante per gli ingegneri che progettano nuovi componenti resistenti all'usura/corrosione acquosa, nonché per i professionisti M&R che gestiscono i tempi di attività delle apparecchiature, gestendo al contempo un budget.  

Dal lancio delle vernici a spruzzatura termica avvenuto a metà del 20^o secolo, i sovrintendenti degli impianti e il personale di manutenzione hanno fatto affidamento sulla tecnologia a spruzzatura termica valutandola una risorsa preziosa per migliorare e potenziare i componenti critici per le apparecchiature industriali leggere e pesanti. I tecnologi della spruzzatura termica hanno compiuto costantemente passi in avanti nell'ambito della tecnologia della spruzzatura termica, creando nuovi sistemi di erogazione e materiali (principalmente polveri) e forse, soprattutto, perfezionando il know-how applicativo che offre potenziali nuove ed entusiasmanti applicazioni. 

I nostri processi di spruzzatura termica primari sono la detonazione, la fiamma, l'arco, il plasma e il combustibile ad ossigeno ad alta velocità (HVOF).

Spruzzatura di detonazione
Questo è un processo proprietario inventato da Praxair Surface Technologies. Gas e polvere vengono combinati in detonazioni controllate e fatti esplodere a velocità supersoniche sulla parte. I materiali comuni sono carburo di tungsteno o carburo di cromo, leghe metalliche, ceramiche e cermet.

Spruzzatura a fiamma
Questo processo è a basso costo e può essere facilmente eseguito in officina o in loco. È anche noto come spray a combustione di ossiacetilene ed è la prima tecnica di spruzzatura termica sviluppata 100 anni fa. L'ossigeno e il gas combustibile come l'acetilene, il propano o il propilene vengono inseriti in una torcia e accesi, producendo una fiamma. Il filo o la polvere possono essere iniettati nella fiamma dove si sciolgono e vengono quindi spruzzati termicamente sul pezzo in lavorazione. Acciai inossidabili, nichel, alluminuri, leghe Hastelloy, stagno e metallo babitt (una lega a base di stagno) sono alcuni dei materiali su cui è possibile applicare la spruzzatura a fiamma.

Spruzzatura ad arco
Durante questo processo, due fili vengono messi in contatto l'uno con l'altro in corrispondenza dell'ugello contemporaneamente. Quando il carico elettrico viene posizionato sui fili, provoca la fusione delle punte dei fili quando si toccano. I gas di nebulizzazione come l'aria o l'azoto vengono utilizzati per eliminare il materiale fuso dai fili per spostarlo sul pezzo in lavorazione. La spruzzatura ad arco è relativamente economica e prontamente funzionale sul campo. Le basse velocità delle particelle consentono uno spessore di rivestimento massimo elevato per qualsiasi materiale specificato. I materiali che vengono generalmente applicati mediante spruzzatura ad arco includono acciai inossidabili, Hastelloy, alluminuri di nichel, zinco, alluminio e bronzo.

Spruzzatura al plasma
La spruzzatura al plasma è generalmente considerata il più poliedrico dei processi di spruzzatura termica. Gas come argon e idrogeno vengono fatti passare attraverso una torcia durante l'operazione di spruzzatura al plasma. I gas vengono dissociati e ionizzati attraverso un arco elettrico. I componenti atomici si ricombinano oltre l'ugello ed emettono un'immensa quantità di calore. Le temperature del nucleo del plasma sono generalmente superiori a 10.000 ℃, che è più della temperatura di fusione media di qualsiasi materiale. La polvere viene iniettata nel pennacchio di plasma dove viene fusa e proiettata verso il pezzo in lavorazione.

Combustibile ad ossigeno ad alta velocità (High-Velocity Oxy Fuel - HVOF)
Questo processo è relativamente nuovo e ha spinto la gamma delle applicazioni a spruzzatura termica in luoghi che prima erano irraggiungibili. Nella spruzzatura HVOF, un combustibile gassoso come l'idrogeno o un combustibile liquido come il cherosene, viene miscelato con l'ossigeno e bruciato all'interno della camera di combustione della torcia ad alta pressione. La polvere viene iniettata nella fiamma, quindi riscaldata e accelerata grazie alla velocità supersonica della velocità del’ gas. Questo produce rivestimenti molto densi disponibili mediante spruzzatura termica. Il processo HVOF è la tecnica preferita per l'usura a spruzzatura termica e i carburi resistenti alla corrosione acquosa, nonché le leghe Hastelloy, Tribaloy e Inconel.

I miglioramenti nell'applicazione della spruzzatura termica includono:

• Resistenza all'usura e controllo:

• Resistenza all'abrasione
• Resistenza all'adesione (attrito)
• Resistenza all'ossidazione
• Resistenza alla cavitazione
• Resistenza all'erosione
• Sostituzione della fatica del metallo

• Resistenza alla corrosione acquosa e protezione

• Miglioramento delle proprietà meccaniche