REVISTA DE METALURGIA, 45 (1)ENERO-FEBRERO, 14-19, 2009

ISSN: 0034-8570eISSN: 1988-4222

doi: 10.3989/revmetalm.0708

14

() Trabajo recibido el da 31 de enero de 2007 y aceptado en su forma final el da 1 de octubre de 2008.* Fundacin Tekniker, Departamento de Procesos de Fabricacin, Avda. Otaola 20. CP 20600, Eibar, Espaa.

11.. IINNTTRROODDUUCCCCIINN

El proceso de plaqueado lser (laser cladding) consis-te en la fusin de un material de aporte, generalmen-te en forma de polvo metlico, sobre la superficie deun material por la accin de un haz lser, con el fin degenerar un recubrimiento de propiedades similares odiferentes a las del substrato[1]. Las ventajas del m-todo incluyen una mnima dilucin, baja y contro-lable entrada de calor en el substrato, gran flexibili-dad de procesado y reducida distorsin[2 y 3]. Normal -

mente, para llevar a cabo el proceso se emplean fuen-tes lser de CO2 y de Nd:YAG en rgimen de fun-cionamiento continuo, si bien, en los ltimos aos, seestn empleando las nuevas fuentes de diodos(HPDL), disco y fibra de alta potencia, as como l-seres pulsados, con duraciones de pulso del orden devarios milisegundos[4-6]. Comparado con otras tcni-cas convencionales de deposicin, como, soldaduraTIG (Tungsten Inert Gas), proyeccin por arco deplasma o proyeccin HVOF (High Velocity OxygenFuel), la tcnica de plaqueado lser produce cordones

OOpptt iimmiizzaacciinn ddeell pprroocceessoo ddee aappoorr ttee ddee rreeccuubbrriimmiieennttooss aanntt ii --ccoorrrroossiinn ddee SStteellll iittee 66 pprroodduucciiddooss mmeeddiiaannttee ppllaaqquueeaaddoo llsseerr(())

I. Vicario*, C. Soriano*, C. Sanz*, R. Bayn* y J. Leunda*

Resumen El plaqueado lser es una de las tecnologas de tratamiento superficial emergentes en el marco industrial actual. Se ba-sa en el empleo de un haz lser para producir la fusin de un material de aporte sobre la superficie de un substratoen movimiento cuyas caractersticas se han de mejorar, consiguindose una unin de tipo metalrgico entre ambosmateriales, una baja porosidad y una reduccin de la zona afectada trmicamente, en comparacin con otras tcni-cas convencionales como el plasma de arco transferido (PTA), soldadura TIG, etc. Existen tres grandes campos de apli-cacin de este proceso: la reparacin-restauracin de componentes daados, la produccin de recubrimientos anti-corrosin o anti-desgaste y, por ltimo, el campo del prototipado rpido (fabricacin directa por adicin de mate-rial). En este trabajo se presenta un estudio del proceso de aporte de material mediante la tcnica de plaqueado lserpara producir recubrimientos anti-corrosin empleando aleacin de Co Stellite 6 en polvo sobre un substrato de ace-ro C45 (AISI 1045). Posteriormente, se lleva a cabo un estudio de las caractersticas frente a la corrosin del recubri-miento final obtenido y de su correlacin con los parmetros de aporte empleados.

Palabras clave Plaqueado laser; Corrosin; Stellite 6.

OOppttiimmiizzaattiioonn ooff tthhee ddeeppoossiittiioonn pprroocceessss ooff ccoorrrroossiioonn rreessiissttaanntt SStteellll iittee 66ccooaattiinnggss pprroodduucceedd bbyy llaasseerr ccllaaddddiinngg

Abstract Laser cladding is one of the most efficient surface treatment technologies in the industry. It uses a laser heat sourceto deposit a thin layer of a desired material on a moving substrate, whose properties have to be improved,achieving a metallurgical bonding between them with low heat affected zone and low dilution, compared to otherconventional technologies such as PTA, TIG welding or thermal Spraying. In this sense, it is remarkable thatthere are 3 main application fields for laser cladding technology: restoration or refurbishment of damaged parts, surfacecoating against corrosion or wear, and rapid prototyping. The present work describes a study of the optimization ofthe laser cladding of Co based coatings (Diamalloy 4060NS) on medium carbon steel C45 (AISI 1045). After lasertreatment, the surface of the substrate material is improved in terms of resistance against corrosion; this is confirmedin the analysis performed afterwards. It is also shown that the corrosion barrier properties have direct correlation withthe laser cladding variables.

Keywords Laser cladding; Corrosion; Stellite 6.

OPTIMIZACIN DEL PROCESO DE APORTE DE RECUBRIMIENTOS ANTI-CORROSIN DE STELLITE 6 PRODUCIDOS MEDIANTE PLAQUEADO LSEROPTIMIZATION OF THE DEPOSITION PROCESS OF CORROSION RESISTANT STELLITE 6 COATINGS PRODUCED BY LASER CLADDING

REV. METAL. MADRID, 45 (1), ENERO-FEBRERO, 14-19, 2009, ISSN: 0034-8570, eISSN: 1988-4222, doi: 10.3989/revmetalm.0708 15

de soldadura o recubrimientos libres de poros, grie-tas y deformaciones, con una buena unin metalr-gica con el substrato.

Stellite 6 es una de las aleaciones de base cobaltoms comn, empleada en la fabricacin y reparacinde componentes, como partes de turbinas de gas (la-bes, esttores, etc.), componentes de automvil(asientos de vlvulas, cigeales, etc.)..., gracias a sualta dureza y buena resistencia frente a la corrosin yal desgaste. De hecho, las propiedades tribolgicas,mecnicas y estructurales de recubrimientos deStellite 6, generados con la tcnica de plaqueado l-ser, sobre diferentes tipos de substratos: aceros inoxi-dables, al carbono, etc., ha sido estudiada en los lti-mos aos por distintos autores[7-10].

En el presente trabajo, se presenta un estudio delproceso de deposicin de Stellite 6 sobre un substra-to de acero C45 (AISI 1045) mediante la tcnica deplaqueado lser. El trabajo se centra en el estudio dela influencia de los parmetros ms relevantes delproceso a travs del anlisis de la geometra, dilu-cin, micro-dureza y estructura de los recubrimien-tos generados. Adicionalmente, se ha estudiado elcomportamiento frente a corrosin electroqumicaen medio salino de los recubrimientos desarrollados.

22.. MMTTOODDOO EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL

Para el desarrollo de la experimentacin se emple ungenerador lser de Nd:YAG, modelo DY022 de Rofin-Baasel, bombeado por diodos y emisin en modo con-tinuo (cw), con una potencia mxima de 2.200 W. Elhaz lser fue guiado a la zona de trabajo a travs deuna fibra ptica de 600 m de dimetro, acoplada aun cabezal de aporte de polvo de Precitec (YC50), alcual se puede adaptar diferentes juegos de boquillas,segn sea la anchura de los cordones de soldadura agenerar. El cabezal del lser estaba sujeto a un robotABB modelo IRB 4400, de 6 ejes de movimiento. Laspartculas metlicas fueron dirigidas a travs del cabe-zal lser coaxial por medio de un alimentador de pol-vo, modelo TWIN-10-C de Sulzer-Metco.

Por otra parte, se emplearon como material baseprobetas de seccin rectangular (120 x 66 x 19 mm) deacero C45, cuya composicin en porcentaje en pesose detalla en la tabla I. El C45 es un acero no aleado yde un contenido medio de carbono. Se emplea, co-mnmente, en piezas que necesitan una resistenciamedia-alta, como engranajes, piones, cigeales, etc.Antes del endurecimiento, el material estaba norma-lizado, con una dureza en torno a 238 HV (20 HRc).

Como material de aporte se emple polvo de ale-acin de base cobalto, Stellite 6 (Diamalloy 4060NS)de Sulzer-Metco, con un tamao de partcula entre 38

y 106 m. La composicin en porcentaje en peso semuestra en la tabla II.

La experimentacin consisti en la generacinde diferentes cordones individuales sobre el substra-to, variando dos de los parmetros ms importantesque influyen en el proceso: la potencia del haz lser,en el intervalo de 1.000 a 2.200 W con un paso de400 W y el caudal de polvo, de 2 a 30 g/min con unpaso de 2 g/min. La velocidad de avance del cabezallser y el dimetro del haz desenfocado sobre la su-perficie del substrato se mantuvieron constantes, a8,3 mm/s y 2,2 mm, respectivamente. Se emple ar-gn, a una presin fija de 5,0 bar, como gas de protec-cin de las pticas y propulsor de las partculas met-licas Seguidamente, se realizaron varios ensayos decordones solapados, variando el grado de solape, conlos parmetros que mejor resultado mostraron en laprimera tanda (1.000 y 1.400 W a 14 g/min) en cuan-to a buena adherencia, reducida dilucin y ausenciade poros y grietas.

Las probetas se cortaron, pulieron y trataron qu-micamente para el estudio metalogrfico. La geome-tra de los cordones se caracteriz mediante micros-copia ptica. Un micro-durmetro Shimadzu mode-lo M se emple para la medida de la micro-dureza enlos cordones y en la zona afectada por el calor gene-rados sobre el substrato.

Para estudiar el comportamiento frente a corro-sin, las superficies recubiertas fueron previamenterectificadas y pulidas hasta conseguir una rugosidadsimilar a la del substrato (0,5 m). Los ensayos serealizaron en una celda electroqumica de tres elec-trodos compuesta por un electrodo de referencia de

TTaabbllaa II.. Composicin nominal del acero alcarbono C45

Table I. Nominal composition of the C45carbon steel

CC FFee MMnn SS

0,5 Bal. 0,8 0,1

TTaabbllaa IIII. Composicin nominal de la aleacinDiamalloy 4060NS

Table II. Nominal composition of the Diamalloy4060NS alloy

CC CCoo CCrr FFee MMoo NNii SSii WW

1,2 Bal. 29,1 2,3 0,3 2,4 1,3 4,5

I. VICARIO, C. SORIANO, C. SANZ, R. BAYN Y J. LEUNDA

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Ag/AgCl (KCl 3M) y un electrodo auxiliar de platino.Para simular el medio agresivo, se emple un electro-lito de NaCl 3,5 % (pH 6,1). Tras aproximadamentedos horas de inmersin, se realiz una polarizacin li-neal sobre cada muestra. El rango de potencial selec-cionado vari desde 0,2V vs Ag/AgCl hasta +0,5V vsAg/AgCl respecto al potencial a circuito abierto. Lavelocidad de barrido fue de 0,05 mV/s.

33.. RREESSUULLTTAADDOOSS

33..11.. GGeeoommeettrraa yy mmiiccrroo--eessttrruuccttuurraa

La geometra de los cordones individuales generados seha estudiado en trminos de la relacin de aspecto y ladilucin. La relacin de aspecto viene determinadamediante el cociente entre la anchura y la altura decada uno de los cordones individuales. En la figura 1 serepresenta la relacin de aspecto de los cordones enfuncin de la potencia del lser suministrada y el cau-dal de polvo propulsado a travs del alimentador.

Tal y como se muestra en la figura 1, el cocienteanchura/altura de los cordones individuales genera-dos disminuye conforme aumenta el caudal de pol-vo. Dado que la anchura del cordn se mantiene fi-ja, al incidir un mayor nmero de partculas en uninstante y rea determinados, la energa funde ma-yor cantidad de estas partculas aumentando, as, la al-tura del cordn. A partir de un caudal de 10 g/min, larelacin de aspecto se mantiene prcticamente cons-tante para cada valor de potencia.

Los cordones de soldadura obtenidos presentanbuena apariencia, sin grietas ni discontinuidades. Enla figura 2 se muestra la seccin transversal de doscordones individuales generados. En las imgenespuede apreciarse, claramente, el cordn de soldadu-ra, la dilucin, as como la zona afectada por el ca-lor. La dilucin es el parmetro geomtrico que deter-mina el grado de penetracin del material aportadodentro del substrato. Viene definida en %, como elcociente entre el rea del cordn introducido den-tro del substrato y el rea total del cordn. De estaforma, la dilucin del recubrimiento de la figura 2 a)es superior a la de la figura 2 b).

En la figura 3 se representa la influencia del cau-dal de polvo y la potencia del haz lser sobre la dilu-cin de los cordones. Los valores de dilucin obte-nidos son bastante elevados para todas las potencias,excepto a 1.000 W, donde a partir de un caudal depolvo de 10 g/min, la dilucin se mantiene por de-bajo del 3 %. Para un valor de potencia determinado,conforme aumenta el caudal de polvo disminuye elgrado de dilucin. Este efecto se debe, principalmen-te, a la atenuacin que sufre el haz debido al mayornmero de partculas metlicas incidentes lo que dis-minuye el nmero de partculas fundidas sobre la su-perficie del substrato.

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Caudal de polvo (g/min)

Rel

aci

n d

e as

pec

to

1000 W 1400 W 1800 W 2200 W

FFiigguurraa 11. Relacin de aspecto de los cordonesindividuales generados en funcin de la poten-cia para varios valores de caudal de polvo.

Figure 1. Aspect ratio of the single tracksgenerated depending as function of the powerand powder mass flow rate.

FFiigguurraa 22. Seccin transversal de dos cordonesindividuales, con valores de dilucin diferentes;a) 36,6 % a 1.400 W y 14 g/min; b) 2,4 % a 1.000W y 14 g/min.

Figure 2. Cross section of two single tracks withdifferent dilution values; a) 36,6 % a 1,400 W y14 g/min; b) 2,4 % a 1,000 W y 14 g/min.

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Respecto a la micro-estructura, todos los cordo-nes examinados presentan una estructura similar, for-mada por carburos en matriz dendrtica de solucinslida. La figura 4 a) refleja la estructura descrita. Lazona afectada por el calor est formada por martensi-ta, tal como se muestra en la figura 4 b).

33..22.. MMiiccrroo--dduurreezzaa

Los valores medios de micro-dureza de cada uno delos cordones obtenidos, expresados en HV1, en fun-cin del caudal de polvo y de la potencia del haz l-ser, estn representados en la figura 5. En ella, se pue-de observar como la micro-dureza presenta un valormximo en torno a 800 HV1, para caudales inferio-res a 10 g/min, dependiendo del valor de la potencia.Seguidamente, la micro-dureza disminuye considera-blemente hasta un valor mnimo entre 250 y 350 HV1para, posteriormente, aumentar progresivamente conel caudal de polvo. Estos altibajos iniciales de la mi-cro-dureza se pueden explicar, teniendo en cuenta quea valores de caudal tan bajos, prcticamente, no se ge-nera cordn de soldadura produciendo que la mayorparte de la potencia del haz sea absorbida por el subs-trato, endureciendo la superficie del mismo.

El perfil de micro-durezas a travs de la seccintransversal de los dos cordones individuales de la figu-ra 2 se muestra en la figura 6. Los valores medios demicro-dureza obtenidos fueron 459 y 548 HV0,3 paralos recubrimientos con 1.400 y 1.000 W de potencia,respectivamente. Al igual que se demuestra en la figu-ra 5, la micro-dureza, en la regin del recubrimiento

aumenta conforme la potencia disminuye y, por tanto,a la vista de los resultados, al disminuir la dilucin.

Por otra parte, la dureza en la zona afectada por elcalor es superior a la dureza obtenida por el recubri-miento, obtenindose valores medios de 640 HV 0,3para 1.400 W y 616 HV 0,3 para 1.000 W de potencia.Este efecto, es debido, principalmente, a la excelentecapacidad de temple del material base empleado.

33..33.. RReessiisstteenncciiaa aa llaa ccoorrrroossiinn

Las curvas de polarizacin se midieron sobre los si-guientes recubrimientos: El primero de ellos, de cor-dones solapados al 25 %, 1.000 W, 14 g/min y 8,3mm/s. El segundo, solapando cordones al 33 %,

1000 W 1400 W 1800 W 2200 W

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30

Caudal de polvo (g/min)

Dilu

ci

n (

%)

FFiigguurraa 33. Dilucin de los cordones individualesgenerados en funcin de la potencia para dife-rentes valores de caudal de polvo.

Figure 3. Dilution of the single laser tracksgenerated as function of laser power and powdermass flow rate.

FFiigguurraa 44. a) Detalle de la estructura dendrticade un recubrimiento individual (1.400 W, 14 g/min);b) Micrografa de la regin afectada por el calor.

Figure 4. a) Detail of the dendritic structure of asingle clad (1,400 W, 14 g/min); b) Micrographof the heat affected zone.

I. VICARIO, C. SORIANO, C. SANZ, R. BAYN Y J. LEUNDA

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1.400 W, 14 g/min y 8,3 mm/s. Un ejemplo de este l-timo se muestra en la figura 7.

En la figura 8 se pueden observar las curvas de po-larizacin registradas para ambos recubrimientos, ascomo la curva correspondiente al substrato. Ambosrecubrimientos presentan un comportamiento pasi-vo en prcticamente todo el rango de potencialesandicos abarcado, con corrientes de corrosin delorden de los A. El segundo recubrimiento, deposi-tado a 1.400 W, muestra una corriente ligeramentemenor y un potencial de corrosin ms noble. Losparmetros cinticos obtenidos a partir del corres-pondiente anlisis de Tafel, se muestran en la tabla III.

250

350

450

550

650

750

850

0 5 10 15 20 25 30Caudal de polvo (g/min)

Mic

ro-d

ure

za (

HV

1)

1000 W 1400 W 1800 W 2200 W

FFiigguurraa 55. Micro-dureza HV1 de los cordones in-dividuales depositados sobre acero C45 en fun-cin de la potencia lser para diferentes valo-res de caudal de polvo.

Figure 5. Micro-hardness HV1 of the single cladsdeposited on C45 steel as a function of the laserpower for different powder mass flow rate values.

0

100

200

300

400

500

600

700

-0,9 -0,6 -0,3 0 0,3 0,6 0,9

Distancia a la superficie (mm)

Mic

ro-d

ure

za (

HV

0,3

)

1400 W 1000 W

Recubrimiento Substrato

FFiigguurraa 66. Perfil de micro-dureza de la seccintransversal de los recubrimientos individualesde Stellite 6 generados sobre acero C45.

Figure 6. Micro-hardness profile across singlelaser Stellite 6 clads generated over C45 steel.

FFiigguurraa 77. Apariencia exterior de un recubrimien-to formado por 20 cordones solapados al 33 %(1.400 W, 14 g/min).

Figure 7. External appearance of a laser claddingcomposed of 20 single clads overlapped at 25%(1,400 W, 14 g/min).

FFiigguurraa 88. Potenciales de corrosin electroqu-micos en funcin de la corriente para el mate-rial base C45 y los recubrimientos de Stellite 6 a1.000 y 1.400 W.

Figure 8. Electrochemical corrosion potentials asfunction of the current for C45 base material andthe Stellite 6 coatings at 1,000 and 1,400 W.

TTaabbllaa IIIIII.. Resultados cinticos obtenidos trasel anlisis de Tafel

Tabla III. Kinetics results obtained after theTafel analysis

MMaatteerriiaall IIccoorrrr((AA//ccmm22))

SF6; 1000 W 2,62 Ecor rSF6; 1400 W 2,09 0,019Substrato C45 14,95 0,584

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44.. CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS

En este trabajo se ha presentado un estudio del pro-ceso de plaqueado lser de la aleacin de base CoStellite 6 sobre un substrato de acero al carbono C45.

Se ha estudiado y discutido las caractersticas delos recubrimientos generados segn la relacin de as-pecto, dilucin, micro-estructura, micro-dureza y re-sistencia a la corrosin, obtenindose los siguientesresultados:

Se han obtenido recubrimientos individualesy solapados con buena adherencia, aparien-cia exterior, baja dilucin, libres de grietas yporosidades.

La relacin de aspecto de los recubrimientosdisminuye conforme aumenta el caudal depolvo mantenindose prcticamente constan-te a partir de 10 g/min, para cada uno de losvalores de potencia explorados.

El parmetro de dilucin disminuye con el au-mento del caudal de polvo y aumenta con lapotencia. Se han obtenido valores inferiores al5 % a partir de 10 g/min con una potencia de1.000 W.

La micro-estructura de todos los recubrimien-tos generados muestra una matriz dendrtica, si-milar para todos los recubrimientos generados.

La micro-dureza de los recubrimientos deStellite 6 disminuye conforme aumenta la po-tencia del haz lser y aumenta con el caudal depolvo. Se han obtenido valores de dureza lige-ramente superiores en la zona afectada por elcalor con respecto al recubrimiento, con unadiferencia media de 75 HV, dada la capacidadde endurecimiento del acero C45.

Los resultados de los ensayos de corrosin con-firman un excelente comportamiento frentea corrosin de los recubrimientos analizados.

Ambos recubrimientos ofrecen al substratouna alta proteccin frente a corrosin en elmedio agresivo estudiado.

AAggrraaddeecciimmiieennttooss

El trabajo desarrollado en este artculo se ha lleva-do a cabo en el marco del proyecto titulado Aplica -cio nes industriales de la tecnologa lser: desarrollo dedemostrador para mquina multifuncional-Lamiak.Dicho proyecto fue subvencionado por la DiputacinForal de Guipzcoa y cofinanciado por la UninEuropea, con Fondos Feder.

RREEFFEERREENNCCIIAASS

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