Desarrollo de la proyección térmica al servicio de la industria
Por Susana Paz
México, DF. 8 de mayo de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- El Centro Nacional de Proyección Térmica (Cenaprot) es un laboratorio nacional que ofrece servicios especializados en los ámbitos de la industria aeronáutica, automotriz, biomédica y en la generación de energía.
Con sede en Querétaro y como parte del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), en colaboración con el Centro de Tecnología Avanzada (Ciateq) –que pertenece al Sistema de Centros Públicos de Investigación del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt)–, cuenta con infraestructura y equipamiento para el trabajo científico y la innovación tecnológica en el desarrollo de recubrimientos por proyección térmica.
“Nuestro objetivo es ofrecer desarrollo tecnológico a la medida a empresas e investigadores y atender necesidades muy particulares, ya sea de origen académico o tecnológico, profundizando en el conocimiento de todos los aspectos químicos, físicos y de ciencia de materiales que están involucrados en el proceso de proyección térmica”, explicó Juan Muñoz Saldaña, director del Cenaprot e investigador del Cinvestav.
Con un equipo de más de 20 investigadores de diferentes niveles y con grupos multidisciplinarios de trabajo, el laboratorio tiene una infraestructura de vanguardia dirigida a la investigación científica, formación de recursos humanos especializados, así como a la oferta de servicios, asesoría, cursos y auditorías a los sectores industrial, científico y académico de manera integral.
El centro surgió en 2014 como parte de la convocatoria de Laboratorios Nacionales emitida por el Conacyt ese mismo año, aunque el equipo que lo conforma ya laboraba desde antes de conformarse como centro.
“La razón de ser de Cenaprot radica en que a pesar de las ventajas que presenta la proyección térmica para el depósito de recubrimientos, en México hay muy poca infraestructura instalada y en la mayoría de los casos no está disponible para su uso generalizado”, afirmó Muñoz Saldaña.
El consorcio Cinvestav Querétaro-Ciateq y la reciente incorporación del Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (Cidesi)-Estado de México, significan un esfuerzo para desarrollar la proyección térmica en un laboratorio nacional y garantizar actividades de investigación fundamental, así como de servicios de desarrollo tecnológico a la industria.
¿Qué es la proyección térmica?
Para Juan Muñoz Saldaña, si bien en el país hay algunas empresas y centros de investigación que abordan la tecnología de proyección térmica, la operación es complicada y requiere de un conocimiento multidisciplinario.
Según explicó el experto, la proyección térmica, también conocida como rociado térmico, es una serie de procesamientos mediante los cuales se busca la funcionalización superficial de sustratos para crear un recubrimiento de acuerdo a las necesidades, naturaleza y aplicación de los materiales base.
Mediante los procesos de proyección térmica se pueden realizar depósitos de materiales cerámicos, metálicos, intermetálicos, polímeros, entre otros, sobre una gama muy amplia de materiales de sustrato.
Los métodos de proyección térmica se dividen en dos categorías principales: el rociado por combustión y por plasma. La principal diferencia entre estas dos técnicas radica en la fuente energética utilizada para el calentamiento del material (químico o eléctrico), y por lo tanto de las características de vuelo de las partículas, es decir, su velocidad y temperatura.
En los casos que implican procesos de combustión, se utiliza una mezcla de un combustible gaseoso o líquido (propano, propileno, keroseno, etanol, hidrógeno, etc.) y un gas oxidante, para generar una reacción de ignición continua dentro de una cámara de combustión. El proceso de combustión se denomina rociado térmico de alta velocidad por combustión de oxígeno o de aire (HVOF y HVAF, por sus siglas en inglés respectivamente), dependiendo de cuál se use como el gas oxidante.
“Estas dos técnicas de depósito han sido de gran interés debido a que producen recubrimientos densos, adherentes, homogéneos, con baja porosidad y bajos contenidos de óxidos debido a la alta energía cinética y a la relativamente baja temperatura alcanzada por las partículas de polvo, además de ser una técnica de bajo costo”, aseveró Muñoz Saldaña.
Aplicaciones
Según el especialista, la proyección térmica tiene una gran cantidad de variantes tecnológicas que se traducen en diferentes procesos y en una amplia variedad de aplicaciones, por lo que se ha consolidado a nivel mundial como una tecnología útil, versátil, con ventajas económicas y de fácil manejo. Con este tipo de tecnologías se pueden obtener recubrimientos de diversos materiales utilizados en diferentes aplicaciones industriales.
“Debido a las altas velocidades y bajas temperaturas de partícula en el proceso HVOF, este se emplea para el depósito de carburos de tungsteno-cobalto (WC-Co), carburos de cromo, MCrAlY (M = Ni, Co o Ni-Co), intermetálicos, aleaciones base níquel e hidroxiapatita para implantes biomédicos. Entre ellos, el depósito de recubrimientos intermetálicos, particularmente B2-NiAl y MCrAlY son de gran interés por sus aplicaciones estructurales a alta temperatura, como recubrimientos tipo unión protectores contra oxidación y corrosión”, explicó el experto.
Estos materiales tienen la habilidad de formar una capa de óxido, típicamenteα-Al2O3, altamente densa, estable y protectora. En el caso de sistemas de barrera térmica (TBC, por sus siglas en inglés), este óxido conocido como óxido crecido térmicamente (TGO, por sus siglas en inglés) mejora la adherencia con el cerámico superior, el cual permite incrementar las temperaturas de operación de las turbinas al mismo tiempo que protege al sustrato de ambientes agresivos (oxidantes y corrosivos), mencionó.
“El Cenaprot ofrece soluciones en el sector de la iniciativa privada con el fin de resolver necesidades específicas de la industria para procesos que involucran recubrimientos anticorrosivos, aumento de la resistencia al desgaste, protección térmica, desarrollo de recubrimientos biocompatibles, por mencionar algunos, para con ello tratar de aumentar el tiempo de vida de los diversos componentes, mejorar el desempeño, reducir costos de operación y proteger al medio ambiente”, comentó Muñoz Saldaña.
En este sentido, los procesos de rociado térmico están establecidos como técnicas utilizadas en la fabricación de recubrimientos que tienen por objetivo funcionalizar la superficie para proteger, incrementar el desempeño, eficiencia y prolongar el tiempo de vida de diferentes componentes en diversas aplicaciones.
Investigación
El especialista explicó que están buscando un desarrollo tecnológico completo en el ramo de dispositivos biomédicos, que abarca desde la obtención de la materia prima para el recubrimiento (hidroxiapatita), material de relleno, hasta el recubrimiento mismo. Este último es mediante procesos de proyección térmica como HVOF sobre implantes, por ejemplo para reemplazo total de cadera.
De manera paralela, estudian su biocompatibilidad con el cuerpo humano mediante análisis de fluido corporal simulado y pruebas in vitro, así como sus propiedades mecánicas.
Por otra parte, en el área de las aplicaciones de alta temperatura para las turbinas de generación de energía eléctrica y de sistemas de propulsión de la industria aeronáutica, específicamente en el área de los recubrimientos de barreras térmicas o TBC, se especializan en el establecimiento de los diferentes procesos de rociado térmico involucrados en el desarrollo de los diversos componentes de dichas barreras, que requieren diferentes condiciones y temperaturas de 
procesamiento; de las cuales, gracias al equipamiento instalado en el Cenaprot, es posible el procesamiento y el monitoreo mediante sistemas de medición del estado del arte y la caracterización de los recubrimientos finales.
“Esto se logra a través de la colaboración multidisciplinaria del equipo de trabajo. Asimismo, se plantea el desarrollo y estudio de nuevos materiales que contribuyan a reducir los costos de operación, aumentar la vida útil y el desempeño en las diferentes áreas de aplicación, como en biomedicina o para la industria aeronáutica”, aseguró Muñoz Saldaña.
Para el especialista, las propuestas en investigación científica que plantea el Cenaprot se fundamentan en el desarrollo de recursos humanos de alto nivel, que apoyados en la infraestructura disponible son capaces de afrontar y resolver los retos tecnológicos y científicos de la academia, al mismo tiempo que abordan problemas específicos de la industria. Entre las propuestas en investigación científica específicas se encuentran las relacionadas con diferentes industrias.
Colaboraciones exitosas
Producto de los esfuerzos realizados en el Cenaprot se encuentran proyectos de investigación solicitados por terceros, publicaciones de divulgación científica, además de diversos trabajos de tesis de maestría y doctorado. Algunos de los proyectos desarrollados son por ejemplo con la empresa Mextrauma, dedicada a la fabricación de instrumentos para el tratamiento de traumatismo en el organismo.
“Con ellos venimos trabajando diferentes proyectos de desarrollo tecnológico desde 2012. En 2014 se desarrolló el proyecto en las instalaciones del Cenaprot. Este proyecto permitió obtener recubrimientos de hidroxiapatita sobre los vástagos de las prótesis de cadera. Actualmente se les asesora en la implementación de la técnica HVOF con la cabina y los colectores indicados para realizar la transferencia tecnológica”, afirmó el investigador.
El convenio con la empresa Mextrauma se firmó en 2014, en el que se establecieron los compromisos de ambas instituciones para el desarrollo del proyecto titulado Planta piloto para la fabricación de reemplazo total de cadera no cementada con el desarrollo de recubrimientos avanzados de hidroxiapatita y protocolos de biocompatibilidad.
Otro proyecto ha sido con la Centro Aeroespacial Alemán (DLR, por sus siglas en alemán), con el que han tenido estrecha colaboración desde 2012 mediante un convenio bilateral Conacyt-BMBF, para el estudio de recubrimientos aeronáuticos.
“Con el grupo de trabajo de recubrimientos avanzados y de alta temperatura del Instituto de Materiales del DLR en la ciudad de Colonia, Alemania, se ha llevado a cabo el desarrollo y estudio de diferentes materiales para aplicaciones en sistemas de recubrimientos de barreras térmicas para álabes de turbinas”, informó.
También está el trabajo con la empresa colombiana Mediimplantes, con la que han planeado y establecido diferentes desarrollos y para lo que se firmó un convenio de confidencialidad y trabajo a largo plazo.
“El Cenaprot está enfocado al desarrollo de ciencia y tecnología de impacto industrial y social, por lo que gran parte de los esfuerzos realizados están encaminados a aplicaciones que repercutan en la vida cotidiana de la sociedad. En este sentido, el desarrollo de recubrimientos térmicos para aplicaciones biomédicas para implantes de reemplazo de cadera, que significan la reducción de costos y el aumento de la accesibilidad de estos dispositivos a la sociedad, es una aportación a este campo”, dijo el investigador.
De manera análoga realizan el estudio y desarrollo de sistemas de barreras térmicas para aplicaciones de generación de energía y de propulsión en la industria aeronáutica, aspecto que ha significado un aumento potencial en la eficiencia de turbinas usadas en aeronaves que impactan de forma directa los costos de operación y de mantenimiento, y permite así reducir la emisión de gases nocivos, producto del uso de combustibles.
Futuro y desafíos
Juan Muñoz Saldaña es doctor en Ingeniería con especialidad en Materiales por la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania, y director del Cenaprot, además de coordinador académico del Cinvestav-Querétaro. Es también director del grupo de cerámicos multifuncionales Cinvestav-Querétaro, miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con el nivel II y recientemente fue distinguido con la beca de la Fundación Alexander von Humboldt para investigadores consolidados.
Para el especialista, el Cenaprot tiene un fuerte compromiso de colaborar, fomentar y propiciar el desarrollo de capital humano de alta calidad para desempeñarse en las diferentes áreas del rociado térmico, y lo hace a través del desarrollo de proyectos de posgrado (maestría, doctorado y posdoctorado), así como en los trabajos de tesis de licenciatura y pregrado, veranos de investigación, estancias cortas, entre otras modalidades.
“Tenemos planes muy ambiciosos, estamos en negociaciones con dos empresas de La Piedad, Michoacán, para el desarrollo de recubrimientos para turbomotores de generación eléctrica. Lo que requiere que tengamos todos los equipos instalados en los próximos meses para atender a los diferentes clientes que están surgiendo. La instalación, puesta en operación, todos los aspectos de seguridad y monitoreo requieren de una inversión fuerte. El reto es lograr tener los recursos suficientes para poder instalar los diferentes equipos y consolidar nuestro laboratorio”, aseguró.
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