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184Marulanda-Arevalo et allos gases reactivos del proceso, que reaccionan conla parte activa del lecho fluidizado, generando losprecursores gaseosos del proceso y ellas son lasespecies responsables de la deposición sobre lasuperficie del substrato. Esta forma de deposición nospermite la conservación de la microestructura y laspropiedades mecánicas del material (22-24).Las partículas dentro del reactor de CVD-FBRse suspenden, debido al equilibrio causado por lagravedad y la fuerza de fricción de la interacciónentre la fase gaseosa y la fase sólida de las partículas(25). En ese instante las partículas comienzan amoverse libremente y a mezclarse unas con otras. Lavelocidad del fluido a la cual se igualan estas fuerzases conocida como velocidad mínima de fluidización(Umf). Desde un punto de vista macroscópico, la fasesólida (fase dispersa) se comporta como un fluido, deahí el origen del término “fluidización”. Al conjunto departículas sólidas finamente divididas que se levantany se agitan por medio de una corriente ascendente defluido se le denomina “lecho fluidizado” (26, 27). Ellecho consiste en una columna de partículas sólidas, através de la cual pasa un fluido, que sufre una caída depresión debido al contacto entre el sólido y el fluido,el cual puede ser gaseoso o líquido. Si el fluido pasa avelocidades bajas a través del lecho, éste no producemovimiento significativo entre las partículas sólidas,pero si la velocidad incrementa gradualmente el flujollega un punto crítico donde las partículas son agitadasy levantadas a cierta altura y en éste movimiento se leconoce con el nombre de fluidización (28).Para mejorar el diseño y los procedimientos delescalado a nivel industrial del CVD-FBR se debeaumentar la comprensión de los fenómenos querelacionan la interacción eficaz gas-partícula (fuerzasde fricción), las interacciones partícula-partícula(fuerzas de la colisión), y la interacción de la partículapared, ya que no están bien entendidos. La formaciónde estructuras heterogéneas en la deposición de lossistemas de lecho fluidizados se pueden atribuira una combinación entre la inelasticidad de laspartículas y la fuerte dependencia no lineal de lafuerza de fricción en la porosidad (Li y Kuipers,2005). Hoomans y colaboradores (1996), fueron losprimeros en investigar el efecto de las propiedadesde la colisión de la partícula en el comportamientode la fluidificación. Ellos encontraron que incluso laspartículas levemente inelásticas podrían dar lugar a lasestructuras heterogéneas, debido a la disipación de laenergía que sufren las partículas durante las colisionesentre ellas, atribuyendo que las partículas implicadastienden a agruparse, formando regiones densas al ladode las regiones diluidas (es decir burbujas), esto haceobtener depósitos pocos densos en los sustratos, conmuchas irregularidades y de poca homogeneidad. Estasobservaciones fueron confirmadas por estudios deGoldschmidt y colaboradores (2002). Otros atribuyeronque las fluctuaciones de la caída de presión a través deun lecho fluidizado están directamente relacionadas conel movimiento de las burbujas y de los sólidos dentrodel lecho (Clark y otros, 1991) (19, 20, 29).El régimen de fluidización para un sistema gassólido depende principalmente de las propiedadesde las partículas que componen el lecho (densidad,forma y tamaño), distribución de las partículas, de lageometría del reactor, geometría del lecho, del tipo dedistribución del gas y la velocidad de fluidización (27).Las partículas finas pueden aglomerarse fácilmentecausando un aumento del tamaño eficaz de la partículaen el proceso de fluidificación. Generalmente lasaglomeraciones cambian con el tiempo, muchas veceslas formadas se rompen y luego se regeneran hastatamaños de 500 μm. Los fenómenos de aglomeración,por un bypass y por un canalizado causan irregularesde caídas de presión del lecho fluidizado. Existen dosmétodos para mejorar la calidad de la fluidificación delas partículas finas; el primer método consiste en aplicarfuerzas externas como: vibración y campos magnéticosal lecho fluidizado, y el segundo método consiste enalterar las propiedades intrínsecas de las partículas, conla modificación de las características de la superficiede la partícula o mezclarlas con otras partículas quetienen diversos tamaños y/o otras formas. Por ende,para obtener buenos resultados en la deposición deCVD-FBR, hay que mantener una fluidización ligerade las partículas finas, un estable y constante lechofluidizado por los flujos de las especies gaseosas (17,30-33).Antes de realizar los recubrimientos por CVD-FBR, sedebe realizar un estudio hidrodinámico de las partículasa temperatura ambiente en la columna del reactor, paraidentificar las mejores condiciones de fluidificación,que proporcionen el mejor contacto entre los sólidos yel gas. Además, para mantener óptimas las condiciones

Dyna 181, 2013de fludización de los polvos se deben investigar lasinfluencias del estado inicial de la compactación delpolvo, la porosidad del distribuidor, el peso inicialde los polvos del lecho, la velocidad inicial del gas(velocidad máxima aplicada para construir las curvasde la caída de presión). La granulometría original sepuede preservar para todas las partículas a excepciónde las que están presentes cerca del distribuidor, dondeel gas reactivo fresco entra y causa la aglomeraciónde partículas. Cuando se alcanza el caudal mínimode la fluidización (Qmf), la pérdida de presión tiene sumáximo valor. Si el caudal es aumentado, llegara elmomento en el cual se produce el régimen turbulento,en el cual se observa una reducción crítica de la presióny el arrastre de las partículas. El intervalo óptimopara obtener un buen régimen de fluidización estácomprendido entre el caudal mínimo de fluidización yel caudal donde comienza el arrastre de las partículassólidas (34-38).3. RECUBRIMIENTOS APLICADOS POR CVDFBR.Recientemente se han propuestos diferentes tipos dereactores de lecho fluidizado para los revestimientos porCVD de partículas ultra finas. La principal desventajade éste sistema de deposición química por lechofluidizado es encontrar un buen diseño del distribuidordel gas, el cual está asociado inevitablemente con lagradual deposición de los sólidos y con la generaciónde aglomerados, debido a la frecuencia del movimientorelativo del lecho. El adecuado diseño de la geometríadel reactor nos asegura un eficiente contacto entre elgas y el sólido. Además, de asegurar la uniformidaden el movimiento de las partículas del sólido, muyimportante para la obtención de buenos revestimientos(39).El sistema diseñado por Sanjuro, fue uno de los aportesmás significativos en estos tipos de deposición CVD,colaboró en el desarrollo del sistema en cuanto losprecursores de haluros metálicos generados en elmismo reactor, al reducir por H2 la reacción del HClcon las partículas metálicas del lecho, mejorandola adsorción y deposición sobre el substrato. De talmanera que se logró obtener una buena transferencia demasa y del calor, permitiéndose mejorar la uniformidadde las capas.1853.1. Recubrimientos de Aluminio.Los recubrimientos de aluminio mediante CVDFBR son ampliamente usados debido a la necesidadde proteger superficialmente los componentes queoperan a altas temperaturas, los cuales han tenidoque ser aumentados perceptiblemente, ya que durantela exposición del acero en ambientes con sulfuro yoxígeno se forman óxidos y sulfuros perjudiciales ensu superficie. Estas capas de mala adherencia duranteel ciclo térmico se agrietan y se rompen, exponiendola superficie del substrato al ambiente. Se conoce dehace años la propiedad inherente del aluminio paraformar capas u óxidos estables como la alúmina(Al2O3). Estas capas están adaptadas al enriquecimientosuperficial de los componentes del acero, que actúanen los ambientes agresivos a alta temperatura y enatmósferas que contienen oxígeno. La capa protectorade alúmina tiene excelentes propiedades mecánicasy buena estabilidad química a la alta temperatura.Cuando un metal o elementos de un recubrimiento a unadeterminada temperatura reaccionan y se difunden enel substrato a una considerable profundidad; las capasdifundidas esencialmente funcionan como aleacionessuperficiales con distintos gradientes de composición,resultando la composición de una costosa superaleaciónen la superficie (22, 40, 41).En la deposición por CVD-FBR, el donador (Al)reacciona con los vapores producidos de la disociacióndel activador HCl, dando por resultado la formaciónde vapores de los precursores de cloruro de aluminio(AlxCl). Los cloruros de aluminio a una determinadatemperatura forman la capa de aluminio en la superficiedel substrato; este recubrimiento compuesto por dosfases; una externa de FeAl y otra fase interior deFe3Al (22, 42). Otros investigadores han estudiado lasreacciones del lecho de Al y los gases activadores HCl H2 en el rango de temperaturas entre 127 y 627 ºC,donde fue instalado in-situ un espectrómetro de masapara obtener información del proceso del crecimientode la capa de Al mediante el sistema de CVD-FBR.Por los resultados obtenidos, se pudo comprobar quelos gases precursores formados eran Al3Cl y el AlCl,con unos valores de presión parcial muy similaresa otros trabajos teóricos; como los obtenidos con lasimulación termodinámica por Thermo-calc para unrango de temperaturas entre 337–623 ºC. Además,experimentalmente fue comprobado que el AlCl era

186Marulanda-Arevalo et alel precursor más importante en el mecanismo deformación de la capa de Al (34, 43).El uso de compuestos intermetálicos de Ni, Al tambiénson usados para protección de las turbinas de lassecciones calientes del motor. Como sabemos estaspartes se construyen de superaleaciones de níquel,que son atacados principalmente por la oxidación aalta temperatura y algunos fenómenos de corrosiónen caliente. El uso del aluminio como un elemento dealeación en las capas es un modo eficaz de aumentarésta resistencia a la corrosión de estas piezas.Inicialmente el crecimiento de la capa protectora ocurrepor difusión interna de sus elementos Al-Ni, seguidopor una etapa intermedia donde el crecimiento implicala difusión de ambos; el Al hacia el interior y el Ni haciael exterior. En los estados finales, la difusión exteriordel Ni domina la formación de la capa. VoudorisChristoglou y colaboradores, elaboraron un modelopara el proceso de deposición de Al por CVD-FBRsobre Ni y Fe; basándose en la hipótesis de que lamuestra se encontraba en equilibrio termodinámico conel polvo donador. El modelo se basó en las ecuacionesde difusión y de balance de masa, logrando predecir demanera satisfactoria la velocidad de crecimiento de lacapa, la morfología y el perfil de concentración. Losresultados obtenidos del modelo fueron verificadosexperimentalmente con buenos resultados (42, 44, 45).Pérez y colaboradores, han trabajado en la obtenciónde recubrimientos de Al a temperaturas inferiores a 600ºC mediante CVD-FBR, utilizando un lecho formadopor aluminio en polvo, lecho fluidizado con Ar y dondefue usado como activador una mezcla de HCl/H2. Losensayos de deposición fueron realizados entre 500 y600 ºC. Estos fueron realizados sobre diferentes tiposde substratos; como por ejemplo; aceros ferríticos,inoxidables y súper aleaciones base Ni. En el sistemase lograron recubrimientos muy homogéneos, formadospor los compuestos intermetálico Fe2Al5 y FeAl3. En lasdeposiciones de las aleaciones de Fe-Ni, se encontraronen los depósitos las fases importantes de Ni2Al3 yNiAl (43, 46-54). En la figura 3, mostramos el cortetransversal del recubrimiento de aluminio depositadopor CVD-FBR sobre un acero inoxidable austenítico.Figura 3. Corte transversal del recubrimiento de aluminiodepositado sobre un acero inoxidable austenítico.Huang Fu, preparo un compuesto que consistía enuna matriz de Al2O3 y una segunda fase usada comorefuerzo de partículas de Cr3C2. Este compuesto Al2O3/Cr3C2 demostró propiedades mecánicas superiores a lasde la fase de la matriz, debido al alto módulo de Youngdel Cr3C2 y una excepcional capacidad para resistir laerosión hasta 1000 ºC de temperatura. Además, fueutilizada la cromita (Cr2O3) como otras partículas desegunda fase para mejorar las propiedades físicas delAl2O3. Pues al combinar la alúmina y la cromita, sepudo obtener la estructura cristalina del corindón,estructura que se formó por solución sólida sustitutivaen todo el rango de temperatura. La inquietud de laadición de Cr2O3 fue realizado para aumentar la dureza,la resistencia a la tensión y la resistencia de choquetérmico del Al2O3. (41)3.2. Recubrimientos de Silicio.Durante los últimos años, la industria fotovoltaicasolar ha experimentado una expansión fuerte debido alas características casi inagotable, limpia y renovablede la energía solar. En este trabajo se explica elaumento significativo de esta mencionada tecnología,en la demanda de las celdas solares basadas en siliciopolicristalino. El proceso de deposición de Si por CVDFBR, usando al silano (SiH4) como el precursor de estesistema de CVD, representa una de las tecnologíasmás interesantes para producir paneles solares de graneficiencia fotovoltaica. Aunque, un desafío importantees controlar el proceso del crecimiento de la capa. Laimportante comprensión de los fenómenos físicos yquímicos implicados en la deposición de silicio guardauna estrecha relación con los resultados. Por otra parte,uno de los principales obstáculos para el uso a gran

Dyna 181, 2013escala de esta tecnología es el escalado en la producciónindustrial. El gas silano, es un importante precursorque ha sido ampliamente estudiado por muchosinvestigadores; quienes han reportado resultados de lareacción química y la cinética de su deposición (55, 56).Sanjuro y colaboradores, han logrado obtenerrecubrimientos por CVD-FBR de Si sobre algunosaceros, donde han utilizando un lecho de Si, fluidizadocon Ar (g) y como gas activador el HCl(g). Estosrecubrimientos fueron depositados en tiempos muycortos a una temperatura en el rango de 400 a 750 ºC.A temperatura entre 400 y 500 ºC fueron obtenidasadherentes capas y de espesor menor a 1 μm. Entre500 y 600 ºC, con los tiempos de deposición entre 10y 60 min fueron conseguidos recubrimientos formadosprincipalmente por Fe3Si, de un espesor entre 1 y 10μm. Para temperaturas entre 650 y 750 ºC, las capasestaban formadas por dos fases; una interior formadapor Fe3Si y otra exterior formada por FeSi. Las capas deespesor entre 20 y 30 μm se desprendían fácilmente delsustrato, debido a la mala adherencia que presentaron(34).Pérez y colaboradores, depositaron mediante CVDFBR recubrimientos de silicio sobre el acero inoxidableAISI 304 y algunos aceros ferríticos. Los depósitosfueron realizados a bajas temperaturas, donde ellecho de polvo de Si fue fluidizado con Ar y la mezclade gases HCl y H2 fue usado como activador. Ellosobservaron varias fases en los en los recubrimientosdepositados sobre el acero AISI 304; unas fases osiliciuros de gran adherencia y ricas en hierro: Fe3Si yel Fe5Si3, y otras ricas en silicio de mala adherencia:FeSi y FeSi2. Además, encontraron que la composicióny el espesor de los recubrimientos dependían deltiempo y de la temperatura de deposición. Ellosconcluyeron que la temperatura óptima de deposiciónse encontraba entre 450 y 500 ºC. A tiempos largos dedeposición a veces a los depósitos se les agotaba el Sio de lo contrario en los recubrimientos se formaban lasfases de mala adherencia y ricas en silicio, hasta quefinalmente se podían encontrar capas acanaladas quefácilmente se rompían o un sustrato sin recubrimiento.Para los recubrimientos de Si en los aceros ferríticos,se obtienen los mejores resultados a 520 ºC. Además,para otros recubrimiento depositados por CVD-FBR,por ejemplo para los recubrimientos de silicio ynitruro de silicio sobre acero inoxidable AISI 316; se187obtuvieron las mejores capas con 30 %at. de silicio auna temperatura de 500 ºC y 30 min de deposición.En este sistema, se uso un doble lecho formado poruno fijo de silicio para generar los precursores y otroinerte de Al2O3, que fue fluidizado con Ar y saturadocon SiCl4 (57-62). Cuando fue depositado Al-Si sobreel acero AISI 304, el recubrimiento fue compuestoprincipalmente de la fase intermetálica Fe2Al5, dondeel Si fue incorporado dentro de la estructura de estecompuesto intermetálico. (43, 60, 63).3.3. Recubrimientos de Aluminio-ManganesoEl Mn presenta un comportamiento contradictoriocuando es usado como elemento de aleación en losaceros. Este elemento en su composición permiteaumentar la resistencia a la fluencia en caliente, sinembargo, el efecto producido por este elemento aveces es diferente porque favorece la formación de laaustenita y mejora la tenacidad. La combinación de Alcon otros elementos como el Cr y Mn han sido usadosapreciablemente como materiales o recubrimientosprotectores. En el caso de los recubrimientos depositadosde Fe-Al con una cantidad de Mn sobre diversos acerosson realizados con la finalidad de formar intermetálicosque ayuden a mantener las propiedades mecánicasdel sustrato y a la formación de óxidos protectorescuando son usados en la oxidación en vapor a altatemperatura (64-66). Algunos investigadores hanutilizado los recubrimientos de Al-Mn sobre acerosferríticos-martensíticos en la oxidación en vapor aalta temperatura (65). Durante su investigación ellosobservaron, que estos elementos por difusión podíanformar una espinela compuesta de aluminio, manganesoy oxígeno; Al2MnO4, a parte de la formación de alúminaAl2O3 y la cromita Cr2O3. Además, otros autores hanreportado que los recubrimientos de Al-Mn-CVD-FBRsobre aceros inoxidables, durante la oxidación habíanformado adicionalmente otras fases como la espinelaAl2FeO4 y los óxidos mixtos de hierro, manganesoy oxígeno; (Fe,Mn) 3 O 4 . Estos tipos de óxidos,intermetálicos y espinelas que fueron formadas durantela oxidación, son las que ayudan a evitar la pérdidadel cromo del sustrato y de tal manera protegen delfenómeno de corrosión en vapor de agua (67).E. N’Dah y colaboradores, presentaron los resultadossobre la investigación de los revestimientos de Al-Mndepositados por CVD-FBR sobre el acero P92. La

188Marulanda-Arevalo et alfinalidad de la incorporación de Mn a los recubrimientosde Al sobre los aceros, fue el de promover la formació

Química de Vapor (CVD) y la Deposición Física de Vapor (PVD), son aquellas que han estado siempre en la vanguardia de estas novedades. Estas nos permiten grandes resultados al diseñar y combinar excelentes sistemas capa/ substrato. Los revestimientos por deposición de vapor es un medio muy rentable para obtener recubrimientos de