Revestimentos para altas temperaturas

Revestimentos para altas
temperaturas
A.S.D’Oliveira
Modificação da Superfície
Adição de Camada Superficial
 Sem alteração da composição
 Hardfacing
Têmpera
Fusão
 Com alteração da composição
Processos termoquimicos
Implantação iônica
Soldagem (processos com fusão do
substrato)
Aspersão térmica (processos sem
fusão do substrato)
 Filmes
CVD, PVD
A.S.D’Oliveira
MOTIVAÇÃO
Componentes diversos
estão expostos a
ambientes agressivos
(desgaste, temperatura,
corrosão)
Cada componente está
exposto a solicitações
específicas
Proteção
contra a
agessividade
dos condições
de operação
Degradação
adiada
Processamento individualizado
ou costumizado
A.S.D’Oliveira
Revestimentos soldados
material depositado pode atuar
como material de sacrifício
A.S.D’Oliveira
Deposição por Laser e por Plasma com arco
Transferido - PTA
Versatilidade
Ligas
comerciais
Desenvolvimento
de ligas
Modificação
de Ligas
A.S.D’Oliveira
Laser cladding
Plasma por Arco Transferido
=> Características dos revestimentos soldados determinadas por:
Diluição
Cinética de solidificação
A.S.D’Oliveira
Correlação entre processos
A.S.D’Oliveira
Efeito dos parâmetros de processamento
Taxa de alimentação (Stellite 1/AISI 304)
Superfície
Detalhe
Centro
22g/min
38g/min
A.S.D’Oliveira
Cinética de solidificação Desenvolvimento da estrutura de solidificação
Velocidade de solidificação – determina refino da estrutura
Maiores densidade de energia no laser=> maiores velocidades de solidificaçãoA.S.D’Oliveira
Cinética de solidificação
VARIAÇÃO DA TEMPERATURA NA POÇA DE FUSÃO
(ºC)
DIREÇÃO
SOLDAGEM
Poça de fusão para velocidade de
soldagem baixa (de 20 a 40 cm/min)
Linha Isotérmica à frente
de soldagem –
Adaptado de Marconi,
2002.
Poça de fusão para velocidade de
soldagem normal (de 40 a 60 cm/min)
A.S.D’Oliveira
Aspersão Térmica
Revestimentos com até 0.5mm de espessura
Material de adição
A.S.D’Oliveira
Caracteristicas dos revestimentos
Revestimentos aderem por ligação mecânica, que não é tão resistente quanto
uma ligação metalúrgica; menor resistência ao impacto
Componentes demasiado grandes que sejam difíceis de manipular (rotacionar)
são um problema.
Geometrias complexas que incluam diâmetros internos que necessitam de ser
aspergidos com angulo baixo resultam em revestimentos de baixa qualidade
Apenas materiais disponíveis no tamanho correto de partículas de podem ser
usados como revestimentos
Revestimentos podem apresentar tensões residuais trativas ou compressivas
Espessuras entre 0.1 e 0.5mm
A.S.D’Oliveira
Caracteristicas dos revestimentos
A.S.D’Oliveira
Processos
A.S.D’Oliveira
Processos: Impacto na temperatura e velocidade da particula
A.S.D’Oliveira
Conjunto complexo de parametros a serem controlados
A.S.D’Oliveira
PVD vs CVD
• PVD
• CVD
Physical vapor deposition
Chemical vapor deposition
até 100 micra de espessura
A.S.D’Oliveira
CVD vs PVD
• CVD: usa gases ou precursores em estado vapor e
o filme depositado a partir de reações químicas
sobre superfície do substrato.
• PVD: vaporiza o material sólido por calor ou
sputtering e recondensa o vapor sobre a superfície
do substrato para formar o filme fino sólido.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
CVD vs PVD
CVD
PVD
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
CVD vs PVD
• Filmes CVD: melhor cobertura de degrau.
• Filmes PVD: melhor qualidade, baixa concentração de
impurezas e baixa resistividade.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
Cobertura de Degrau
 Cobertura de degrau de filme
evaporado é pobre devido a
natureza direcional do material
evaporado (sombreamento). Maior
limitação.
 Aquecimento (resultando na
difusão de superfície) e rotação do
substrato (minimiza o
sombreamento) auxilia a cobertura
de degrau.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
Processo de Deposição PVD:
a) O material a ser depositado (fonte sólida) é convertido a
fase vapor por processo físico.
b) O vapor é transportado da fonte até o substrato através
de uma região de baixa pressão.
c) O vapor condensa sobre o substrato para formar o filme
fino.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
 PVD
Fase Gasosa
Fase Gasosa
Transporte
Evaporação
Fase Condensada
(sólido)
Condensação
Fase Condensada
(filme sólido)
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
Conversão para Fase Gasosa
Pode ser feita por:
a) Adição de Calor  EVAPORAÇÃO.
b) Pelo desalojamento dos átomos da superfície do
alvo através de transferência de momentum por
bombardeio iônico – SPUTTERING.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
MÉTODOS DE PVD:
a) - Evaporação
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
 Tipos de Evaporação:
• Aquecimento resistivo (filamentos)
• Feixe de eletrons (e-beam)
• Aquecimento indutivo.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
 Limitações da Evaporação:
a) Difícil controle na evaporação de ligas; Algumas ligas são dificeis
de evaporar
b) Substratos de baixo ponto de fusão;a evaporação de filmes
espessos pode queimar o alvo.
c) A adesão do filme obtido por sputering é melhor
d) É mais fácil de modificar as composição
e)
Com sputtering é mais fácil melhorar cobertura de degrau;
f)
e-beam  gera raio X quando os eletrons energéticos incidem
sobre o metal alvo  causan danos no dispositivo.
A.S.D’Oliveira
Seleção de Materiais
b) - SPUTTERING
A.S.D’Oliveira
Motivação -> Turbinas a gás
Maiores T de trabalho=> maior eficiência / maior vida útil
As exigências destas turbinas dependem da aplicação:
Transporte (Aviões, navios, trens)
Geração de energia
Componentes mecânicos (bombas, compressores)
Dois fatores determinam a vida útil:
Duração do Ciclo de operação (liga/desliga)
Tempo na temperatura de operação
A.S.D’Oliveira
A.S.D’Oliveira
São determinantes para o desempenho de uma turbina o
seu projeto e a seleção de materiais
Material estrutural e
revestimento
Sistema de
refrigeração
Função
Caracteristicas dos
materiais
Redução na T da superfície
Baixa condutividade térmica
Baixa transferência de calor por
radiação
Redução na taxa de oxidação
Oxido termodinamicamente estável
com baixas tx de crescimento
Redução na taxa de corrosão a quente
Óxidos quimicamente estáveis
Resistência a erosão por particulas
Material duro e denso
Capacidade de atuar como material de
sacrifico
Tolerância a deformação plástica por
deslizamento
Energia de transformação absorvida
por fratura (perda de material)
Melhora da abrasividade
Inclusão de partículas duras para
induzir o corte do contra corpo
A.S.D’Oliveira
Dois tipos de revestimento:
- Difusão
(material depositado de difundir ou reagir com o substrato
gerando um gradiente continuo de composição)
- Recobrimento
(material depositado sobre o substrato gerando um gradiente
acentuado de composição e propriedades)
A.S.D’Oliveira
Superfícies revestidas vs superfícies difundidas
A.S.D’Oliveira
Revestimentos utilizados em componentes de superligas
usados em regiões quentes
Tipo de revestimento
Aluminide
Chromide
MCrAlY
Ceramic Oxide
Função principal
Oxidação
Corrosão a quente
Oxidação
Barreira térmica
Nominal
65
25
125
250
Intervalo aceitável
25-100
25-50
125-500
> 125
°C
815-1150
600-925
815-1150
980-1200
°F
1500-2100
1100-1700
1500-2100
1800-2200
Técnica
Vapor
Vapor
Aspersão térmica
Aspersão térmica
reação
reação
air/vacuum
air/vacuum
Espessura (µm)
Temperatura de Serviço
pack cementation
above the pack
chemical vapor
Deposition CVD
slurry
pack cementation
above the pack
plasma
plasma
combustion
Vapor deposition
electron beam
sputtering
Laser deposition
powder cladding
Reaction sinteringa
controlled
composition
Vapor deposition
electron beam
Sputtering
A.S.D’Oliveira
Composição dos revestimentos considerando a relação entre a
resistência a oxidação e a corrosão
A.S.D’Oliveira
A.S.D’Oliveira
Benefícios e Limitações dos processos de deposição atômicos e por partículas
Features
Evaporation
Sputtering
Deposition
CVD
Electro
deposition
Thermal
Spraying
Mechanism to
produce depositing
species
Thermal energy
Momentum transfer
Chemical reaction
Solution
Flames or plasmas
Deposition rate
Moderate (up to
750,000 Å/min.)
Low
Moderate
Low to high
Very high
Deposition species
Atoms
Atoms/ions
Atms/ions
Ions
Droplets
Complex shapes
Poor line of sight
Good but
nonuniform
Good
Good
Poor resolution
Deposits in small,
blind holes
Poor
Poor
Limited
Limited
Very limited
Metal/alloy
deposition
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Refractory
compounds and
ceramics
Yes
Yes
Yes
Limited
Yes
Energy of depositspecies
Low
Can be high
Can be high
Can be high
Can be high
Growth interface
perturbation
Not normally
Yes
Yes
No
No
Substrate heating
Yes, normally
Not generally
Yes
No
Not normally
A.S.D’Oliveira
Tipos de degradação em material
elevadas
estruturais que operam em temperaturas
Modo de
ruptura
Definição
Fluência
Time-dependent, thermally activated inelastic deformation of a material.
The rate of creep increases as the temperature increases for constant stress.
Fadiga de alto
ciclo
Microstructural damage mechanism that results from small stress amplitude cyclic loading,
such as vibrations; failure will occur after a relatively large number of cycles.
Fadiga de
baixo ciclo
Microstructural damage mechanism that results from large stress amplitude cyclic loading;
failure will occur after a relatively small number of cycles. Very abrupt thermal changes,
such as from engine start and stop cycles, are the driving force for this failure mode.
Oxidação em
alta
temperatura
Solid-gas chemical reaction that produces the oxide(s) of constituents within the solid. The
rate of oxidation increases exponentially with temperature, certain oxides (notably those
of aluminum and chromium) are slow growing and protective of the underlying substrate.
Corrosão a
quente
Electrochemical reaction between substrate and molten salts, typically sodium and
potassium sulfates. Two forms of hot corrosion are generally recognized:
Type I (high temperature), which typically occurs between the temperatures of 820°C and
920°C, with a maximum at about 870°C , characterized by the buildup of a nonprotective
oxide layer as oxidation and sulfidation destroy the metal substrate;
Type II (low-temperature), which typically occurs between 590°C and 820°C, with a
maximum at about 700°C, often exhibiting pitting.
A.S.D’Oliveira
Tipos de degradação em revestimentos que operam em temperaturas elevadas
Tipo de falha
Definição
Oxidação
a alta T
Solid-gas chemical reaction that produces the oxide(s) of constituents within the solid. The
rate of oxidation increases exponentially with temperature; certain oxides (notably those of
aluminum and chromium) are slow growing and protective of the underlying substrate.
Corrosão a
quente
Electrochemical reaction between metal and molten salts, typically sodium and potassium
sulfates. Two forms of hot corrosion are generally recognized:
Type I (high-temperature), which typically occurs between the temperatures of 820 and
920°C, with a maximum at about 870°C;
Type II (low-temperature), which typically occurs between 590 and 820°C, with a
maximum at about 700°C.
Esforço
mecânico
Erosion and impact damage caused by the ingestion of particles in the air stream.
Difusão no
estado sólido
Reduction of the aluminum content of the coating because of interdiffusion with the base
metal.
Spallation
Loss of protective oxide at the coating/oxide interface.
Fadiga
termomecânica
Long-term (i.e., over many cycles) formation and propagation of cracks because of external
mechanical stresses and to residual stresses from lack of thermal expansion compatibility
between the substrate and the coating
A.S.D’Oliveira
Em um sistema de materiais, os revestimentos são especificados em
função de:
Necessidade de aumentar a T de trabalho
Melhorar a vida útil do componentes
Permitir a utilização de combustíveis com maior intervalo de
eficiências térmicas e nível de contaminantes
A.S.D’Oliveira
Compatibilidade entre revestimento e o material estrutural:
- Metalúrgica: pode requerer interdiffusão entre revestimento e substrato mas tem
de ser estáveis na T de trabalho, evitando regiões empobrecidas em elementos
importantes e/ou a formação de fases frágeis ou de baixo ponto de fusão
- Processamento: as propriedades do material estrutural não podem ser
modificadas; processos que exigem o aquecimento do substrato ou a preparação da
superfície devem ser utilizados com cuidado
- Mecânica: coeficiente de expansão térmica, ductilidade do revestimento, peso,
coesão, adesão e rugosidade são alguns dos fatores que devem ser avaliados; o
revestimento tem de apresentar capacidade de acomodar esforços decorrentes de
pequenas diferenças com o substrato
A.S.D’Oliveira