Comportamento em fluência da liga Ti-6Al-4V com recobrimento como forma de barreira térmica (TBC) depositado por aspersão térmica seguido de refusão por laser

Abstract

As ligas de titânio têm sido aplicadas em componentes aeronáuticos devido, principalmente, à sua relação de alta resistência e baixa densidade. Os revestimentos de barreira térmica (TBC) de zircônia estabilizada com ítria (YSZ), depositados por aspersão térmica (APS), aumentam o rendimento das palhetas de turbinas por proporcionar temperaturas de operação mais altas. A modificação por laser da camada YSZ é uma técnica que tem sido investigada para melhorar as propriedades de componentes com TBCs. O objetivo deste trabalho foi avaliar o comportamento em fluência da liga de Ti-6Al-4V com recobrimento como forma de barreira térmica depositado por APS seguido de tratamento de refusão por laser de CO2. Foram investigados dois diferentes recobrimentos comerciais e a caracterização antes e após a refusão por laser foi realizada por microscopias óptica e eletrônica de varredura, perfilometria óptica e difratometria de raios X, e analisou-se a resistência à oxidação das amostras. Realizou-se ensaios mecânicos de microdureza e de fluência na modalidade de temperatura e carga constantes nas faixas de 500 a 700 ºC e 125 a 319 MPa. O tratamento de refusão por laser gerou uma camada densa e sem poros de espessura entre 35 e 40 μm a partir da superfície, com redução de cerca de 80% da rugosidade, formação predominante da fase t' e aumento de, aproximadamente, o dobro do valor de dureza em relação à camada como aspergida. As amostras tratadas por laser apresentaram maior resistência à oxidação, com redução de cerca de 30% no ganho de massa após 550 horas. Em um dos recobrimentos comerciais, utilizando refusão por laser em duas etapas de 0,23 e 0,50 J/mm2, as amostras apresentaram menor resistência à fluência em relação àquelas como aspergidas em todas as condições ensaiadas. Em outro recobrimento comercial, utilizando refusão por laser numa única etapa de 1,05 J/mm2, a taxa de fluência estacionária na condição de 600 ºC e 125 MPa reduziu em 50% e, nas demais condições a 500 e 600 ºC, o tempo de vida até a ruptura dos corpos de prova aumentou, em média, 20%. Sugere-se que o mecanismo dominante em todos os casos é o mecanismo de deslizamento e escalagem de discordâncias. Observou-se fraturas tipicamente dúcteis formada por microcavidades equiaxiais. Conclui-se que, após a refusão por laser dos dois diferentes recobrimentos comerciais, a camada refundida é influenciada consideravelmente pelos parâmetros utilizados no tratamento por laser, definindo suas características e propriedades. Pode-se associar essas características diretamente ao comportamento em fluência, tanto para o aumento, quanto para a redução da vida em fluência. Desse modo, diferentes parâmetros de laser e técnicas para redução de trincas superficiais podem ser investigados a fim de mudar as características da camada refundida e aumentar a vida em fluência das amostras. Destaca-se, também, que o processo de refusão por laser do TBC é efetivo para melhorar a resistência à oxidação do substrato.

Titanium alloys have been applied in aeronautical components mainly due to their high strength weight ratio. Yttria-stabilized zirconia (YSZ) of thermal barrier coating systems (TBC) applied by air plasma spraying (APS) increases the lifetime of turbine blades by providing higher operating temperatures. Laser modification of YSZ layer is a technique that has been investigated to enhance the properties of components with TBC. The aim of this work is to evaluate the creep behavior of Ti-6Al-4V alloy with CO2 laser remelted plasma sprayed thermal barrier coating. Two different commercial coatings were investigated and characterization of as-sprayed and laser remelted coatings was performed by optical and scanning electron microscopy, optical profilometer and X-ray diffraction, and the oxidation resistance of the samples was analyzed. Microhardness was evaluated and creep tests were performed at constant temperature and load in the range of 500 to 700 ºC and 125 to 319 MPa. The laser remelted treatment produced a 35-40 μm thick dense, pore-free layer, the surface roughness was reduced by about 80% , with predominant formation of t'-phase and an increase of approximately twice the hardness value in relation to the as-sprayed layer. The laser remelted samples showed higher oxidation resistance, with a reduction of about 30% in mass gain after 550 hours. In one of the commercial coatings, using two-stage laser remelting (0.23 and 0.50 J/mm2), the samples showed lower creep resistance when compared to as-sprayed ones in all conditions tested. In another commercial coating, using laser remelting in a single step (1.05 J/mm2), the stationary creep rate at 600 ºC and 125 MPa reduced by 50% and, in other conditions at 500 and 600 ºC, the creep rupture life increased, on average, by 20%. It is suggests that the dislocation climb is the dominant mechanism in all cases. Typically ductile fractures formed by equiaxial dimples were observed. It is concluded that, after CO2 laser remelting treatment of the two different commercial coatings, the remelted layer is considerably influenced by parameters used in the laser treatment, defining its characteristics and properties. These characteristics can be directly associated with creep behavior, leading to an increase or decrease in creep life. Thus, different laser parameters and techniques to reduce surface cracks can be investigated in order to change the characteristics of remelted layer and increase the creep resistance of specimens. It is also noteworthy that the TBC laser remelting process is effective in improving the substrate oxidation resistance.