Desenvolvimento de processo de deposição via plasma térmico de materiais cerâmicos e metálicos em substrato de liga de titânico para aplicações aeroespaciais
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Data
2016-11-22
Autores
Caliari, Felipe Rocha [UNIFESP]
Orientadores
Reis, Danieli Aparecida Pereira Reis [UNIFESP]
Tipo
Tese de doutorado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
The thermal barrier coating (TBC) is composed of a corrosion and oxidation resistant metallic coating (MCrAlY, onde M=Co, Ni), and an insulating ceramic coating (usually ZrO2 7% Y2O3, or 7% YSZ). The TBC is used on most demanding section parts of heat engines, allowing the increase of the operation temperature and, thus, higher thrust-to-weight ratios and as well as high thermal efficiency. Nevertheless, durability of TBCs produced by Atmospheric Plasma Spray (APS) is a limiting factor, mainly due to the continuous change of thermomecanical and thermophysical properties, during application. Owing to the intrinsic relationship between process-microstructure-properties, to overcome the current TBC limitations one must focus on processing improvement. The emphasis of this thesis is to improve the APS process, by using the in-flight properties as well as the mechanical and microstructural properties as a reference point. To do so, a nonlinear plasma torch that operates at supersonic regime and with axial injection was adapted. It was possible to develop a High Velocity Plasma Spray Process (HVPS), which operates at high particle velocity. The in-flight properties were measured via DPV-2000. The metallic and ceramic coatings were analyzed using SEM, XRD, mechanical profilometry and instrumented indentation test. Static and dynamic deposition, has been performed. The plasma torch characterization shows that it operates with low current and high voltage (in comparison to conventional plasma torches), standard deviation of voltage fluctuation of 10%, thermal efficiency close to 80% and operates at supersonic regime (Mach number of 1,5). The results of DPV-2000 showed that the metallic powder was sprayed at 425-500 m/s and 2270-2440°C. The range of particle velocity and temperatures for the ceramic powder 7% YSZ is 491-683 m/s and 2535-2636°C, respectively. The estimated calculation showed that, on the HVPS process, the heat transfer coefficient can be up to 270% higher than the conventional plasma spray process. Metallic coatings obtained by static deposition show low roughness (Rz < 30 ?m), in comparison to the ones produced with dynamic deposition (Rz > 38 ?m), and both values are lower when compared to the values reported in the literature. The HVPS promotes the stabilization of ? phase (Co-Ni-Cr matrix) and the dissolution of ? phase ((Co, Ni)Al). It was possible to obtain deposition rates of 300 ?m/min and low porosities (0,3%) during the static depositions, however this deposition method promotes the coating delamination, as a consequence of the thermal stress promoted by the plasma jet. According to the dynamic depositions, as the surface speed increases (from 566 to 1885 mm/s) the porosity (from 0,8 to 2,7%) and the oxide content (from 3,8 to 12,5%) also increases, moreover, the deposition rate of dynamic 8 deposition is approximately 10 ?m/min. The CoNiCrAlY coating obtained at 90 RPM (CD2) has hardness Hit of 6,1 GPa and modulus of elasticity of 155 GPa, which is 30% lower in comparison to the coating from static deposition (CS). The fracture toughness of interface Ti- 6Al-4V/CoNiCrAlY is 2,4 MPa m1/2. By the variation of both plasma torch and substrate parameters, it was verified that the sintering of the ceramic 7% YSZ surface depends on exposition time to the plasma jet. Therefore, coatings produced by static deposition shows Ra between 3 and 4 ?m, while one obtains Ra among 6 and 8 ?m on dynamic depositions. For both deposition methods, the 7% YSZ coatings showed only the tetragonal and cubic phases stabilized. Static depositions led to high E/H ratios, which are related to high residual stresses. Due to the particular vp and Tp characteristics provided by the HVPS process, it was observed that ceramic coatings (produced by dynamic deposition) possess low defects, hardness (9,4 GPa) and modulus of elasticity (117 GPa) values close to nanostructured coatings reported in the literature. Therefore, it was demonstrated that the HVPS process promotes the deposition of low defect coatings, with superior mechanical properties in comparison to coatings produced by APS.
O recobrimento de barreira térmica (Thermal Barrier Coating, TBC) é composto por uma camada metálica (MCrAlY, onde M=Co, Ni) resistente a oxidação e corrosão, e uma camada cerâmica (normalmente utiliza-se ZrO2 7% Y2O3, ou 7% YSZ) que promove isolamento térmico. O TBC é utilizado em componentes presentes em regiões quentes de máquinas térmicas, possibilitando aumento da temperatura de operação e, consequentemente, o aumento do empuxo específico e eficiência térmica. No entanto, a durabilidade do TBC produzido por spray a plasma em pressão atmosfera (Atmospheric Plasma Spray, APS) é um fator limitante, principalmente devido às mudanças nas suas propriedades termomecânicas e termofísicas, durante sua aplicação. Tendo como premissa a relação intrínseca entre processomicroestrutura- propriedade, a superação das limitações encontradas no recobrimento TBC deve necessariamente passar pelo aperfeiçoamento do seu processo de produção. O enfoque deste trabalho é o aperfeiçoamento do processo APS, tendo como pontos de referência as propriedades das partículas em voo no jato de plasma, e o estudo dos efeitos benéficos nas propriedades mecânicas e microestruturais do recobrimento TBC. Para tanto, uma tocha de plasma do tipo não linear, que trabalha em regime supersônico e com injeção axial, foi adaptada. Assim, foi possível desenvolver o processo de spray a plasma de alta velocidade (High Velocity Plasma Spray, HVPS), que opera com maior velocidade de partícula em relação ao processo APS. As propriedades das partículas em voo foram analisadas por meio de pirometria de infravermelho, e os recobrimentos metálico e cerâmico foram analisados via MEV, DRX, perfilometria mecânica e indentação instrumentada. Foram utilizados os métodos de deposição estático e dinâmico. Os resultados mostram que a tocha de plasma opera com baixa corrente e alta tensão (ao contrário das tochas convencionais), oscilação de tensão em torno de 10%, eficiência térmica próxima de 80%, e opera em regime supersônico (Mach 1,5). Também verificou-se que o pó metálico de CoNiCrAlY atingiu velocidade de 425-500 m/s e temperatura de 2270-2440°C. As faixas de velocidade e temperatura de partícula para o pó cerâmico de 7% YSZ foram 491-683 m/s e 2535-2636°C, respectivamente. Por meio de estimativas de cálculo, verificou-se que o coeficiente de transferência de calor, no processo HVPS, pode ser até 270% maior em relação ao processo APS. O recobrimento metálico obtido por deposição estática possui baixa rugosidade (Rz < 30 ?m) em relação ao recobrimento obtido por deposição dinâmica (Rz > 38 ?m), e em ambos os casos, os valores de Rz são menores do que os reportados na literatura. O processo HVPS promove estabilização da fase ? (matriz de Co-Ni-Cr) e dissolução da fase ? ((Co, Ni)Al). No método 6 estático obteve-se alta taxa de deposição (300 ?m/min) e baixa porosidade (0,3%), contudo foi observado que este método de deposição promove a delaminação do recobrimento devido à alta tensão térmica produzida pelo jato de plasma. O aumento da velocidade superficial da amostra (de 566 para 1885 mm/s) promove o aumento da porosidade (de 0,8 para 2,7%) e da fração de óxidos (de 3,8 para 12,5%), conforme mostraram os ensaios de deposição dinâmica, nos quais a taxa de deposição foi em torno de 10 ?m/min. O recobrimento de CoNiCrAlY obtido por deposição dinâmica a 90 RPM (CD2) possui dureza Hit de 6,1 GPa e módulo de 155 GPa, cerca de 30% menor em comparação ao recobrimento de deposição estática (CS). A tenacidade a fratura da interface Ti-6Al-4V/CoNiCrAlY, calculada por meio de indentação na amostra CD2, é de 2,4 Mpa m1/2. Por meio da variação dos parâmetros da tocha de plasma e da amostra, verificou-se que a sinterização da superfície do recobrimento de 7% YSZ depende do tempo de exposição ao jato de plasma. Assim, recobrimentos produzidos por deposição estática possuem Ra entre 3 e 4 ?m, enquanto que obtém-se Ra entre 6 e 8 ?m nos recobrimentos de deposição dinâmica. Em ambos os métodos de deposição adotados, os recobrimentos de 7% YSZ apresentaram apenas as fases tetragonal e cúbica estabilizadas. Recobrimentos de 7% YSZ produzidos por deposição estática possuem alta relação E/H, ou seja, alta tensão residual. Devido às características de vp e Tp promovidas pelo processo HVPS, verificou-se que os recobrimentos cerâmicos produzidos por deposição dinâmica possuem baixa fração de defeitos e valores de dureza (9,4 GPa) e de módulo de elasticidade (117 GPa) equivalentes a recobrimentos nanoestruturados. Desta forma, demonstrou-se que o processo HVPS promove a deposição de recobrimentos com baixa fração de defeitos e com propriedades mecânicas superiores em relação aos produzidos via processo APS.
O recobrimento de barreira térmica (Thermal Barrier Coating, TBC) é composto por uma camada metálica (MCrAlY, onde M=Co, Ni) resistente a oxidação e corrosão, e uma camada cerâmica (normalmente utiliza-se ZrO2 7% Y2O3, ou 7% YSZ) que promove isolamento térmico. O TBC é utilizado em componentes presentes em regiões quentes de máquinas térmicas, possibilitando aumento da temperatura de operação e, consequentemente, o aumento do empuxo específico e eficiência térmica. No entanto, a durabilidade do TBC produzido por spray a plasma em pressão atmosfera (Atmospheric Plasma Spray, APS) é um fator limitante, principalmente devido às mudanças nas suas propriedades termomecânicas e termofísicas, durante sua aplicação. Tendo como premissa a relação intrínseca entre processomicroestrutura- propriedade, a superação das limitações encontradas no recobrimento TBC deve necessariamente passar pelo aperfeiçoamento do seu processo de produção. O enfoque deste trabalho é o aperfeiçoamento do processo APS, tendo como pontos de referência as propriedades das partículas em voo no jato de plasma, e o estudo dos efeitos benéficos nas propriedades mecânicas e microestruturais do recobrimento TBC. Para tanto, uma tocha de plasma do tipo não linear, que trabalha em regime supersônico e com injeção axial, foi adaptada. Assim, foi possível desenvolver o processo de spray a plasma de alta velocidade (High Velocity Plasma Spray, HVPS), que opera com maior velocidade de partícula em relação ao processo APS. As propriedades das partículas em voo foram analisadas por meio de pirometria de infravermelho, e os recobrimentos metálico e cerâmico foram analisados via MEV, DRX, perfilometria mecânica e indentação instrumentada. Foram utilizados os métodos de deposição estático e dinâmico. Os resultados mostram que a tocha de plasma opera com baixa corrente e alta tensão (ao contrário das tochas convencionais), oscilação de tensão em torno de 10%, eficiência térmica próxima de 80%, e opera em regime supersônico (Mach 1,5). Também verificou-se que o pó metálico de CoNiCrAlY atingiu velocidade de 425-500 m/s e temperatura de 2270-2440°C. As faixas de velocidade e temperatura de partícula para o pó cerâmico de 7% YSZ foram 491-683 m/s e 2535-2636°C, respectivamente. Por meio de estimativas de cálculo, verificou-se que o coeficiente de transferência de calor, no processo HVPS, pode ser até 270% maior em relação ao processo APS. O recobrimento metálico obtido por deposição estática possui baixa rugosidade (Rz < 30 ?m) em relação ao recobrimento obtido por deposição dinâmica (Rz > 38 ?m), e em ambos os casos, os valores de Rz são menores do que os reportados na literatura. O processo HVPS promove estabilização da fase ? (matriz de Co-Ni-Cr) e dissolução da fase ? ((Co, Ni)Al). No método 6 estático obteve-se alta taxa de deposição (300 ?m/min) e baixa porosidade (0,3%), contudo foi observado que este método de deposição promove a delaminação do recobrimento devido à alta tensão térmica produzida pelo jato de plasma. O aumento da velocidade superficial da amostra (de 566 para 1885 mm/s) promove o aumento da porosidade (de 0,8 para 2,7%) e da fração de óxidos (de 3,8 para 12,5%), conforme mostraram os ensaios de deposição dinâmica, nos quais a taxa de deposição foi em torno de 10 ?m/min. O recobrimento de CoNiCrAlY obtido por deposição dinâmica a 90 RPM (CD2) possui dureza Hit de 6,1 GPa e módulo de 155 GPa, cerca de 30% menor em comparação ao recobrimento de deposição estática (CS). A tenacidade a fratura da interface Ti-6Al-4V/CoNiCrAlY, calculada por meio de indentação na amostra CD2, é de 2,4 Mpa m1/2. Por meio da variação dos parâmetros da tocha de plasma e da amostra, verificou-se que a sinterização da superfície do recobrimento de 7% YSZ depende do tempo de exposição ao jato de plasma. Assim, recobrimentos produzidos por deposição estática possuem Ra entre 3 e 4 ?m, enquanto que obtém-se Ra entre 6 e 8 ?m nos recobrimentos de deposição dinâmica. Em ambos os métodos de deposição adotados, os recobrimentos de 7% YSZ apresentaram apenas as fases tetragonal e cúbica estabilizadas. Recobrimentos de 7% YSZ produzidos por deposição estática possuem alta relação E/H, ou seja, alta tensão residual. Devido às características de vp e Tp promovidas pelo processo HVPS, verificou-se que os recobrimentos cerâmicos produzidos por deposição dinâmica possuem baixa fração de defeitos e valores de dureza (9,4 GPa) e de módulo de elasticidade (117 GPa) equivalentes a recobrimentos nanoestruturados. Desta forma, demonstrou-se que o processo HVPS promove a deposição de recobrimentos com baixa fração de defeitos e com propriedades mecânicas superiores em relação aos produzidos via processo APS.
Descrição
Citação
CALIARI, Felipe Rocha. Desenvolvimento de processo de deposição via plasma térmico de materiais cerâmicos e metálicos em substrato de liga de titânico para aplicações aeroespaciais. 2016. 119 f. Tese (Doutorado) - Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), São José dos Campos, 2016.