Efecto de las principales variables del proceso de atomización en llama oxiacetilénica, sobre la sinterización de gránulos de circona estabilizada con itria aglomerados mediante peletización en tambor

Abstract

RESUMEN : En este trabajo se estudió el efecto que tienen las principales variables del proceso de atomización en llama oxiacetilénica, sobre la sinterización producida entre partículas nanométricas de circona estabilizada con 3% molar de itria, aglomeradas mediante peletización en tambor rotatorio, lo cual resulta de interés en la preparación de materia prima con los requerimientos técnicos necesarios para ser usadas en la elaboración de recubrimientos mediante proyección térmica. Las partículas finas (menores a 5 µm), que se utilizan para elaborar recubrimientos mediante proyección térmica, deben ser acondicionadas para que puedan fluir fácilmente por los sistemas que las transportan desde el alimentador de polvos hasta la fuente de calor donde son fundidas y proyectadas hacia el sustrato. A su vez, estas partículas deben soportar las exigencias mecánicas de su almacenamiento, transporte y uso, permitiendo así obtener recubrimientos de buena calidad estructural. Por esta razón, las partículas de tamaño nanométrico e incluso submicrométrico se aglomeran principalmente por medio de procesos como el de secado por aspersión (en inglés spray drying) o mediante peletización en tambor y en algunos casos se les realiza posteriormente un tratamiento térmico de sinterización con el fin de mejorar la resistencia mecánica de los aglomerados o gránulos obtenidos. En el caso particular de los aglomerados conformados por partículas finas de circona estabilizada con 3% molar de itria, utilizados como materia prima para la fabricación de la capa cerámica de barreras térmicas, se presenta un reto no menor; pues se requiere que los gránulos tengan la resistencia mecánica necesaria para su uso en esta aplicación y que a su vez las partículas finas que los conforman sean del menor tamaño posible para que los recubrimientos a elaborar sean nanoestructurados. Procesos como el de sinterización promueven una fuerte unión entre las partículas que conforman los gránulos, aumentando significativamente su resistencia mecánica, sin embargo, esto también produce la formación de granos que crecen a medida que aumenta la unión entre partículas. Las características de los aglomerados (tamaño de las partículas que los conforman, su grado de unión, así como el tamaño y la morfología de los gránulos), juegan un papel importante no solo en su transporte durante el proceso de proyección térmica, sino también en el grado de calentamiento, y por ende en el nivel de sinterización y fusión que alcanzan en la fuente de calor. Por lo tanto, se estudió el grado de sinterización obtenido variando la distribución de tamaño de los aglomerados (-106 +75 µm; -75 + 38 µm; -38 µm), la relación acetileno:oxígeno (1:1,7 para la llama neutra, 1:2,5 para la llama oxidante y 1:3,2 para la llama súper-oxidante), utilizada para producir la llama oxiacetilénica y el flujo másico (4-5 g/min; 10-11 g/min y 15-16 g/min) de partículas alimentadas a dicha llama durante su atomización. Se encontró que el tratamiento térmico que experimentan los aglomerados en la llama promueve la sinterización de las nanopartículas que los conforman, produciendo granos que logran un mayor crecimiento en la medida que llama es más oxidante, la fracción de tamaño de los gránulos es más pequeña y el flujo másico de partículas alimentado a la llama es más bajo. Adicionalmente, se encontró que en el proceso realizado con la llama neutra las nanopartículas que son tratadas térmicamente son principalmente las de la superficie de los aglomerados, obteniéndose una leve sinterización entre ellas y por ende, un leve crecimiento de los granos que forman. A pesar de ello, los aglomerados logran una mejora significativa en su resistencia mecánica, respecto a aquellos no sinterizados.