Polvo esférico compuesto Cr₃C₂-25(NiCrAlY) frente al riesgo de dependencia de un único proveedor: validación de una segunda vía

Perfil del cliente

El cliente es un proveedor de recubrimientos por pulverización térmica que trabaja con piezas sometidas a condiciones de servicio muy adversas: componentes de turbinas, tubos de calderas y grandes ventiladores industriales. Se trata de componentes que sufren oxidación, abrasión y ciclos térmicos repetidos a temperaturas de entre 900 y 1000 °C aproximadamente.

Ya contaban con un proveedor homologado de polvo de carburo de cromo-25 níquel-cromo-aluminio-itrio (Cr₃C₂-25(NiCrAlY)). No pretendían sustituirlo por completo, sino que buscaban un segundo proveedor. En realidad, se trata de una práctica habitual en la cadena de suministro. Pero cuando el rendimiento del recubrimiento depende del comportamiento del alimentador, la respuesta de la pulverización y la composición química de un lote a otro, la «práctica habitual» se complica rápidamente.

Reto

El problema comenzó con el intervalo de recubrimiento. El carburo de cromo (Cr₃C₂) debe permanecer intacto durante la pulverización. Si se eleva demasiado la temperatura de la llama, el carburo se descarburiza y se transforma en carburos de menor calidad. La dureza disminuye. El rendimiento frente al desgaste se reduce. Si se reduce demasiado la temperatura, el aglutinante de níquel-cromo-aluminio-itrio (NiCrAlY) no se funde por completo. Entonces se produce porosidad, los límites de las salpicaduras son débiles y los recubrimientos, que parecen aceptables en una probeta, empiezan a comportarse de forma anómala bajo ciclos térmicos.

Ese equilibrio fue el principal quebradero de cabeza. El equipo ya había realizado algunas series de pruebas con material de otro proveedor. Un lote se pulverizó con suficiente limpieza, pero el siguiente empezó a presentar un comportamiento de alimentación irregular. No dejábamos de preguntarnos si el alimentador se estaba desviando o si era el propio polvo el que estaba cambiando. Se comprobó el alimentador dos veces. Y luego otra vez. El verdadero problema seguía ahí.

El flujo del polvo era otra preocupación. El material tenía que moverse de forma uniforme a través del alimentador, y debía hacerlo sin segregación. La morfología esférica era importante. También lo era una distribución del tamaño de partícula (PSD) estrecha. Muchos polvos parecen correctos en la ficha técnica, pero luego se forman puentes en la tolva o se pulverizan de forma irregular a través de la pistola. Ese tipo de variabilidad se manifiesta más tarde en forma de espesor de recubrimiento desigual y datos dispersos sobre la resistencia de la unión.

El equipo también necesitaba pruebas, no solo material. Su paquete de cualificación exigía dureza, resistencia de la unión superior a 70 MPa, porosidad inferior al 1 % y resistencia a la oxidación tras ciclos térmicos. Tenían previsto probar múltiples conjuntos de parámetros de pulverización con oxígeno-combustible a alta velocidad (HVOF) y con aire-combustible a alta velocidad (HVAF). Eso significaba que el polvo tenía que tolerar las variaciones del proceso sin convertirse en la causa del fracaso de cada ensayo.

El plazo de entrega formaba parte de las limitaciones. Necesitaban 200 kg para la validación, pero no todo de una vez en un compromiso a ciegas. Primero tenía que llegar un lote de muestra. Si los resultados de la pulverización no eran los esperados, todo el esfuerzo de cualificación se estancaría. Sinceramente, esperábamos que el calibre fuera el problema en las primeras pruebas de manipulación, pero resultó que se trataba más bien del movimiento del polvo y de la respuesta térmica. Otro quebradero de cabeza.

Por qué eligieron a SAM

Necesitaban algo más que un distribuidor. Necesitaban un proveedor que pudiera enviar material documentado, no solo polvo en un bidón.

Stanford Advanced Materials (SAM) proporcionó desde el principio la certificación química, la documentación del PSD y los datos de fluidez. Eso permitió al cliente vincular los resultados de las pruebas a un lote definido, en lugar de tratar la pólvora como una caja negra. El enfoque por lotes de muestra también fue importante. Redujo el riesgo de comprometerse con los 200 kg completos antes de que se hubiera comprobado el comportamiento de la pulverización.

SAM también contaba con el tipo de experiencia en pulverización térmica que ahorra tiempo en la primera ronda de pruebas. No se trataba de consejos teóricos, sino de orientación práctica sobre la configuración de los sistemas HVOF y HVAF, basada en sistemas de recubrimiento similares. El cliente no necesitaba un seminario extenso; necesitaba un polvo que pudiera tamizarse, pulverizarse y compararse con su fuente certificada actual.

Solución proporcionada

SAM suministró polvo esférico compuesto Cr₃C₂-25(NiCrAlY) con morfología de partículas controlada y una distribución granulométrica documentada. La forma esférica mejoró la consistencia del alimentador. Menos pulsaciones. Menos formación de puentes. Esto hizo que las pruebas de pulverización fueran más repetibles, que es precisamente donde se atascan muchos programas de segunda fuente.

La documentación química fue igual de importante. Con la certificación completa del material en su poder, el cliente pudo llevar a cabo la homologación del recubrimiento sin tener que dedicar días a conciliar los registros de los proveedores. El contenido de Cr₃C₂, la matriz de NiCrAlY y los datos a nivel de lote estaban todos disponibles para su archivo interno. Esto les ayudó a comparar los resultados del recubrimiento con los de su proveedor habitual, en lugar de discutir si el material era siquiera equivalente sobre el papel.

SAM también envió primero un lote de muestra. Quizá un detalle sin importancia. Pero permitió al equipo probar varios ajustes del soplete antes de la entrega completa de 200 kg. Una de las condiciones de pulverización proporcionó un recubrimiento con una densidad aceptable, pero con una resistencia de adhesión ligeramente inferior a la esperada. Otra mejoró la resistencia de la unión, pero provocó más variación en la superficie de lo que deseaban. El cliente mantuvo un conjunto de parámetros y rechazó el otro. Observamos una ligera dispersión en la porosidad en las primeras pasadas, y nunca llegamos a determinar con certeza si se debía al calentamiento de la pistola o al acondicionamiento del polvo. No obstante, se mantenía dentro del rango que les permitía seguir adelante.

Resultados e impacto

El lote de prueba proporcionó al cliente una base viable para la cualificación de proveedores. Pudieron probar el polvo en múltiples condiciones de HVOF y HVAF sin que la inestabilidad del alimentador supusiera un obstáculo. Los datos del recubrimiento se mantuvieron lo suficientemente cercanos a los de su proveedor actual como para mantener vivo el programa de segunda fuente.

La mayor ventaja fue la flexibilidad de la cadena de suministro. Contar con un único proveedor cualificado está bien hasta que deja de estarlo. Una vez que la producción de recubrimientos queda ligada a un único flujo de material, cualquier retraso se convierte en un problema para la línea de producción. El lote de polvo documentado y el proceso de validación basado en pruebas redujeron ese riesgo.

Quedaba un pequeño problema. Algunas muestras de ensayo mostraban una ligera variación en el acabado superficial entre las diferentes series. No afectaba al funcionamiento y no lo consideraban un obstáculo, pero seguían vigilándolo en el siguiente lote. Esto es bastante habitual en los trabajos de pulverización térmica.

Si se comparan polvos de recubrimiento, el siguiente paso útil suele ser el aspecto relacionado con los materiales del proceso. Nuestro artículo sobre la selección de polvos para pulverización térmica y el comportamiento de la deposición es un buen punto de partida.

Puntos clave

La cualificación de una segunda fuente nunca se reduce únicamente a la composición química. En el caso de los polvos de carburo de cromo-níquel-cromo-aluminio-itrio, el comportamiento del alimentador, la distribución del tamaño de partícula (PSD) y la respuesta a la pulverización son tan importantes como la fórmula nominal.

Los lotes documentados ayudan. Y mucho. Cuando el cliente puede relacionar el rendimiento del recubrimiento con la certificación química y los datos de fluidez, la conversación sobre la cualificación se acorta considerablemente.

Y en los recubrimientos a alta temperatura, la ecuación sigue siendo la misma: proteger el carburo, fundir completamente el aglutinante y mantener el polvo en movimiento. Si falla alguno de estos aspectos, el recubrimiento empieza a dar problemas.