Horno láser continuo para síntesis de cerámicas avanzadas

Abstract

La síntesis de materiales cerámicos requiere un tratamiento térmico a temperaturas elevadas. Los hornos de laboratorio convencionales que en su mayoría son eléctricos permiten alcanzar temperaturas próximas a los 1700ºC en aire. A estas temperaturas ya aparecen problemas importantes de interacción entre los materiales de soporte o crisoles con el material procesado. Para alcanzar temperaturas más elevadas se hace uso de hornos de atmósfera controlada, de arco eléctrico, generadores de plasma, irradiación láser o solar, etc. Los hornos de atmósfera controlada para temperaturas superiores a 1700ºC actualmente se usan poco por su alto coste de instalación y mantenimiento. De los otros tipos de calentamiento, destaca la irradiación láser por ofrecer excelente control espacial y temporal y permitir alcanzar temperaturas extremas, tal y como es necesario para fundir prácticamente cualquier material sólido. No obstante, el estrés térmico asociado a los elevados gradientes de temperatura inducidos en la zona irradiada es un inconveniente característico en casi cualquier proceso realizado con láser, que provoca la aparición de grietas y otros defectos en el material procesado. Para evitar estos problemas es necesaria la combinación de irradiación láser con aporte de calor externo, tal y como se ha demostrado por primera vez en nuestro laboratorio. Se han desarrollado varios equipos que permiten procesar materiales en el interior de un horno contínuo, eléctrico o de gas natural, y simultáneamente irradiar la muestra con láser. La combinación de barrido de haz láser con una velocidad de pieza adecuada permite fundir la superficie del material, dejando la mayor parte de su espesor (volumen) sin fundir. El resultado es un material recubierto con una capa refundida a la temperatura de fusión de la mezcla de fases sólidas presentes en el entorno de la superficie expuesta al láser. Aunque el calentamiento intenso y localizado por láser induce importantes gradientes térmicos en el material irradiado, la aparición de grietas se evita realizando el proceso a temperaturas de horno relativamente bajas (450‐1200ºC). Utilizando el horno láser desarrollado en el ICMA se han preparado recubrimientos cerámicos compuestos, modificaciones de superficies a temperaturas extremas y se han desarrollado procesos industriales de fabricación de cerámica estructural dentro del proyecto europeo LIFE09 ENV/ES/000435 "LASERFIRING". En este trabajo se presenta un estudio sobre la influencia del barrido y potencia láser, temperatura de horno y velocidad de muestra en el proceso.